随着电气化进程日益推进,社会对能源的需求越来越高。而锂离子电池作为一种清洁环保的储能方式受到了人们的热烈追捧。但是,目前商业化的锂离子电池负极材料石墨的理论比容量较小,无法满足类似于电动汽车、起重机车、矿山机械等大功率机电设备的要求,因此寻找开发高比容量的锂离子电池负极材料是解决这一问题的核心。与石墨和钛基材料的脱嵌机制相比,过渡金属氧化物为基底的负极材料具有更高的理论比容量,其中Fe₃O₄被研究者们认为是一种理想的锂离子电池负极材料。但是由于Fe₃O₄的自身缺陷,比如在氧化还原过程中脱嵌锂离子时Fe₃O₄发生膨胀,体积变大,容易导致活性材料从电极脱落,粉化,使得电池容量迅速衰减,循环稳定性变差。这样的问题严重阻碍了Fe₃O₄在锂离子电池的应用。目前,通过对Fe₃O₄进行包覆是解决这个问题的主要手段之一,但是这样的改性在提高Fe₃O₄电化学性能上还有一定的上升空间。本文主要通过构筑单层、多层包覆、包覆与封装结构相结合来改善Fe₃O₄的电化学性能。包覆以及封装结构可以在Fe₃O₄的外围构筑一层连续的惰性保护层,限制Fe₃O₄在脱嵌锂离子过程中的体积形变,减少活性材料的脱落与粉化,提高Fe₃O₄的电化学性能。另外,合理的微纳结构同样可以限制活性材料在充放电过程中的体积膨胀;同时能够缩短锂离子在电极材料中的扩散路程,提高活性材料的倍率性能。通过对Fe₃O₄的改性,使得Fe₃O₄的电化学性能得到较大的提高,本论文主要研究工作如下:（1）单层碳包覆Fe₃O₄的制备与性能研究。碳材料在充放电过程中的体积膨胀几乎可以忽略不计且具有较高的导电性,因此选择碳材料为包覆材料对Fe₃O₄进行包覆。通过简单的水热法及高温煅烧法,采用简单易去除的造孔剂,得到前驱体多孔Fe₂O₃。随后通过碳热还原得到了碳包覆均匀的多孔Fe₃O₄@C材料记为CP-Fe₃O₄@C。多孔结构能够增大电极与电解质的接触面积,有助于电解质浸润电极材料,从而提高离子传输速率。同时,探讨了造孔剂的添加量以及包覆水热时间对产物形貌的影响。通过充放电结果显示,核壳结构的CP-Fe₃O₄@C在0.3 A g^-1的电流密度下循环200圈之后的比容量为785 m Ah g^-1,在6 A g^-1的大电流密度下充放电的比容量能够达到130 m Ah g^-1。通过CP-Fe₃O₄@C倍率性能的反应动力学计算,当循环伏安的扫描速率为5 m V s^-1时,赝电容占总容量的比例为91%。（2）包覆与封装结构的碳空位缺陷还原氧化石墨烯（Dr GO）封装核壳结构Fe₃O₄的制备与性能研究。石墨烯是一种具有优异导电性,多孔性,高比表面积以及良好力学性能的二维层状碳基材料,非常适合于封装工程,构建三维结构的微纳复合材料。本文通过碱性刻蚀的方法制备了具有碳缺陷的还原氧化石墨烯,利用碳空位缺陷中的含氧官能团与Fe₃O₄纳米微球通过化学键紧密结合在一起,形成结构稳定的复合材料。通过水热法,碳热还原法以及碱性刻蚀法合成了缺陷还原氧化石墨烯封装核壳结构Fe₃O₄@C的复合材料（Dr GO-CP-Fe₃O₄@C）。探究了石墨烯刻蚀过程的形貌与官能团的变化,简要的阐述了石墨烯刻蚀的机理。通过充放电结果显示,三维结构的Dr GO-CP-Fe₃O₄@C在0.3 A g^-1的电流密度下循环200圈之后的比容量为820 m Ah g^-1。值得关注的是,Dr GO-CP-Fe₃O₄@C在6 A g^-1的大电流密度下充放电的比容量能够达到251 m Ah g^-1,与CP-Fe₃O₄@C相比,Dr GO-CP-Fe₃O₄@C的比容量提升了93%,证明了缺陷还原氧化石墨烯的引入能有效改善大电流条件下充放电性能。（3）双碳层封装Fe₃O₄复合材料的制备与性能研究。利用GO的含氧官能团直接与Fe₃O₄进行自组装,煅烧后形成稳定的“三明治”结构的r GO/Fe₃O₄复合材料。在层状r GO的封装下,Fe₃O₄在充放电过程中的体积膨胀被极大的抑制。在此基础上引入碳网结构对r GO的表面进行封装,既可以抑制r GO表面Fe₃O₄的体积膨胀又可以进一步抑制r GO/Fe₃O₄复合材料的整体膨胀。同时碳网的引入可以构建三维网络电子传输结构,缩短电子的传输距离。本文通过简单环保的一锅溶剂热法直接在r GO的层间和表面生长菜花状Fe₃O₄,随后在煅烧GO/Fe₃O₄成相的过程中在其表层制备一层碳网,得到双层“三明治”结构的复合材料记为r GO/Fe₃O₄/C。通过充放电结果显示,r GO/Fe₃O₄/C在0.3 A g^-1的电流密度下循环300圈之后的比容量为844 m Ah g^-1。值得注意的是,r GO/Fe₃O₄/C在4 A g^-1的大电流密度下循环300圈之后的比容量为363 m Ah g^-1。充放电结果充分证明了具有这种“三明治”结构的复合材料在电化学循环性能方面得到了一定的提升。通过FT-IR和XRD联用,分析了电极材料表面物质在循环前后的变化,并提出了三种可能造成电池容量随着循环圈数上升的假设,为进一步研究电极材料的变化提高基础。（4）氢化的氧空位缺陷二氧化钛包覆核壳C/Fe₃O₄@r GO的制备与性能研究。在锂离子电池负极材料中钛基材料的稳定性远远高于过渡金属氧化物,尤其是Ti O₂。Ti O₂在锂离子的脱嵌过程中的体积膨胀系数大约为4%,可以保持电极材料在循环过程中的结构稳定,其较差的导电性(～1*10^-12 S/m)可以通过氢化工程改善。通过氢化处理可以使Ti O₂中的部分Ti⁴⁺还原为Ti³⁺,产生一定数量的单电子,提高其电子导电率。本文通过简单溶剂热法,碳热还原以及氢化等方法合成出了以Fe₃O₄@r GO为核心,碳层为中间包覆层,氢化的Ti O₂（H-Ti O₂）为最外层包覆层的双层包覆封装结构H-Ti O₂/C/Fe₃O₄@r GO复合材料。通过充放电结果显示,H-Ti O₂/C/Fe₃O₄@r GO在0.3 A g^-1的电流密度下循环200圈之后的比容量为867 m Ah g^-1。特别需要注意的是,H-Ti O₂/C/Fe₃O₄@r GO在1 A g^-1的大电流密度下循环700圈之后的比容量为505 m Ah g^-1。由此可见,Ti O₂包覆层以及双包覆层结构的引入对提高电极材料的循环稳定性有极大的帮助。