当今社会的快速发展离不开对能源的大量需求。而环境问题越来越得到人们的重视，如何不以牺牲环境为代价实现经济文明的高速发展成为人们热议的话题。锂离子电池作为绿色环保高效的清洁能源，是未来替代传统化石燃料的可靠选择之一。目前锂离子电池作为便携式电子设备、电动工具等设备的电源应用已比较普遍。商用锂离子电池的负极材料主要是以石墨类为主的碳材料，其性能稳定安全，但其较低的比容量限制了锂离子电池性能的进一步提高。因此，研究新型的具有高容量的负极材料是提高锂离子电池性能的重要方向。其中，石墨烯基复合材料是研究热点之一。由于石墨烯是具有特殊二维结构的碳材料，其优异的力学，电化学性能使其有望成为具有较高比能量，性能稳定的电极材料。本文对石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用进行了归纳总结，并对其存在的主要问题以及今后研究的重点进行了分析。论文第三章中介绍了利用改进Hummer’s法制备了具有良好形貌的石墨烯材料。石墨烯片层比表面积大，厚度薄，还原程度高。并对材料的电化学性能进行表征。鉴于过渡金属作为锂离子电池负极材料具有高比容量的优点，论文选取绿色无害且来源广泛的三氧化二铁作为研究对象，利用无需表面活性剂的一步水热法，制备了纳米尺寸的三氧化二铁材料。得到的纳米材料粒径分布窄，晶型良好，并具有较高的储锂能力，但其循环性能差。因此，尝试将其与石墨烯材料进行复合。论文第四章中重点介绍了利用喷雾干燥法合成具有特殊微观三维立体结构的Fe₂O₃/石墨烯复合材料，并通过调整制备工艺控制材料的微观形貌。在此基础上，研究了材料的微观结构对电化学性能的影响，分析了复合材料的储锂机理。得到的Fe₂O₃/石墨烯复合材料的可逆容量高达900mAh·g-1以上。其中，石墨烯起到缓冲Fe₂O₃体积效应和增强材料内部电子及离子传输能力的作用，增强了其循环稳定性和高倍率性能。而纳米Fe₂O₃插层在石墨烯片层中，有助于防止石墨烯重新堆叠，保持其储锂能力。利用喷雾干燥技术得到了复合材料的微米球状结构，有利于石墨烯和纳米Fe₂O₃充分发挥两种材料的协同效应。得到的复合材料具有稳定、高比容量、快速充放电能力良好的优势。喷雾干燥技术易操作，重复性良好，能放大工艺进行量化生产，是大规模生产制备石墨烯基复合材料的有效方法之一。为未来工业化生产高性能的新型石墨烯基材料提供了理论基础。