近年来,锂离子动力电池的发展如火如荼,尤其是在新能源汽车领域。然而,对于目前的商用锂离子电池而言,电池内部的正极材料(主要为磷酸铁锂)和负极材料(石墨)仍然存在许多问题。磷酸铁锂导电性差、无法进行大电流充放电。石墨的质量比容量较低、倍率性较差。这些不足使得目前的动力电池难以满足不断增长的市场需求。因此,改善正负电极材料的结构和性能对提升电池电化学性能至关重要。石墨烯因其高的电导率、高比表面及高强度等特性在新能源领域的应用日益广泛。但石墨烯片之间的范德华力导致团聚现象较为严重,高比表面及多活性位点的优势被大大减弱。开发垂直取向的三维石墨烯结构有利于打开石墨烯片边缘,并且形成交联的多孔结构。这种多孔结构不仅能改善材料的导电网络,也为锂离子的快速扩散提供通道。因此,本论文通过热CVD法制备了三维石墨烯/炭黑和三维石墨烯/石墨两种复合材料,分别用作磷酸铁锂导电剂和锂离子负极材料,改善了正负电极的电化学性能,也扩大了三维石墨烯在电化学领域中的应用。本文制备了三维石墨烯/炭黑(CB-3DGNs),分别研究了生长温度、时间对石墨烯结构的影响。将制备的CB-3DGNs复合材料用作磷酸铁锂电极的导电剂,并对其电化学性能进行了测试。结果表明:使用CB-3DGNs导电剂的磷酸铁锂电极均表现出优异的电化学性能。通过对导电剂添加量分别为10%、7%、5%以及3%的磷酸铁锂电极进行恒流充放电测试,发现在1100°C下生长4小时的样品在添加量为5%时,电极具有高质量比容量(165.3 mAh/g),高倍率性(80.2 mAh/g,20 C,1 C=172 mAh/g),高载量(5.2 mg/cm~2)及较好的稳定性(1100圈,1 C,85%)。三维石墨烯/石墨(3DGN@G)复合负极材料的研究同样包含生长温度、时间对三维石墨烯结构的影响。将制备的三维石墨烯/石墨复合材料用作锂离子电池负极材料,并对其储锂性能进行了测试。结果表明:3DGN@G复合负极表现出优异的电化学性能。通过恒流充放电测试发现,在1100°C下生长12小时制备的样品表现出高的质量比容量(702 mAh/g),高倍率性(327 mAh/g,5 C,1 C=372 mAh/g),高载量(~9 mg/cm~2)及好的稳定性(1500圈,2 C,85%)。