石墨烯由于具有优越的光学、热学、电学及电化学性能,在微纳米加工、传感器和能源等领域都有着广泛的应用。但是,二维的石墨烯在应用中存在容易团聚的问题,导致其优越的性能无法充分发挥。制备三维石墨烯是解决这一难题的重要途经。当前,中国把实现石墨烯材料的规模化制备和发展石墨烯改性的储能器件作为新材料研发的重点任务。硅具有储锂容量高,资源丰富,成本低廉的优点,是最具发展前景的储能材料之一。但是,硅用于锂离子电池负极材料时,存在导电性差和体积膨胀率高的缺点。主要的解决思路是利用石墨烯改善其性能。本文主要研究三维石墨烯的制备和结构控制,并将其应用于改善硅基负极的储锂性能。以甲烷为碳源,氢气为刻蚀气,采用热化学气相沉积法在硅颗粒基底生长垂直取向三维石墨烯。主要研究了甲烷浓度、温度、硅基底平均粒径、生长时间和表面包碳处理对三维石墨烯结构的影响。通过扫描电子显微镜表征,发现不同温度下,制备三维石墨烯的合适甲烷浓度不同。温度越高,所需的甲烷浓度越低。在1050℃、1100℃、1150℃、1200℃下合适的甲烷浓度分别为20%、14.3%、11.1%、4.8%;硅基底平均粒径对三维石墨烯的形貌没有明显影响,但X射线衍射和拉曼光谱分析表明,当硅基底的平均粒径为50 nm时,会生成碳化硅副产物,当硅基底的平均粒径为100 nm时,则没有碳化硅生成。通过逐步优化制备条件,得到分散性良好的三维石墨烯/硅复合材料及三维石墨烯/碳包覆硅复合材料。在复合材料中,垂直取向石墨烯纳米片均匀分布在硅颗粒或碳包覆硅颗粒表面,纳米片之间相互连接,构成发达的三维导电网络结构。最适的制备条件是:温度为1050℃,甲烷浓度为20%,硅基底平均粒径为100 nm,生长时间为3 h。为了研究碳包覆层和三维石墨烯对硅基负极储锂性能的影响,分别对三维石墨烯/硅复合材料,碳包覆硅复合材料及三维石墨烯/碳包覆硅复合材料进行电化学性能测试。通过恒流充放电循环曲线的对比,发现三维石墨烯/碳包覆硅复合材料的储锂性能最优。进一步对三维石墨烯/碳包覆硅复合材料的碳含量和硅载量进行优化,得到储锂性能十分优越的负极材料,在0.1 C充放电倍率下拥有3000 mAh/g的初始充放电比容量,120次循环后比容量仍保持3000 mAh/g,240次循环后比容量约为2400 mAh/g,容量保持率为80%。