近年来，随着对环境、气候变迁、可持续能源供给的日益关注，人们开始把目光转向开发能量密度大、转换效率高、污染小、安全性高的新型绿色可再生的能源系统及器件。镁二次电池，以丰富的镁资源、较高的安全性，是一种具有较大发展前景的高能量密度二次电池体系。对于二次电池体系而言，电极材料是影响体系性能的重要方面。当前对于镁二次电池体系电极材料的研究相对比较少。本论文正是以发展可用于镁二次电池的电极材料为中心，开发出一种供镁离子可逆嵌/脱的负极材料，并对其嵌脱镁性能、机理、以及在镁二次电池中的应用进行了探索研究。具体而言，本论文的主要内容包括以下三部分:　　（一）纳米钛酸锂负极材料储镁机理研究　　本文首次实现了纳米钛酸锂(LTO)作为负极材料在镁二次电池中的应用并对其储镁机理进行了深入研究。此材料表现出175 mAh g-1的可逆储镁容量。同时此材料在嵌脱镁的过程中表现出低应变的特性，使得该材料具有优越的稳定长循环寿命。此外，借助先进的原子级高分辨扫描透射电子显微镜技术（球差矫正技术），发现了一个奇特的相分离及相转化同时并存的储镁机理，这种特殊的机理尚未见诸报道。这为开发用于长寿命可充镁电池的镁离子嵌入型材料提供了更多的选择。　　（二）纳米钛酸锂负极材料储镁尺寸效应研究　　采用简单的溶胶凝胶法，通过对影响纳米晶粒生长的各项参数进行调控，制备出一系列具有不同尺寸、粒径均匀的钛酸锂纳米颗粒，并研究了LTO颗粒尺寸大小对其储镁电化学性能的影响。结果表明镁离子在LTO中的存储行为对颗粒尺寸有强烈的依赖性。只有在颗粒尺寸低于40 nm的情况下，镁离子才能在LTO中明显地发挥活性。当颗粒尺寸降低至10 nm以下时，材料发挥的容量接近LTO的理论值。颗粒尺寸为7～8nm的LTO纳米颗粒在拥有175 mA h g-1的比容量的同时还表现出卓越的稳定循环性能，经过500圈循环以后容量保持率仍在95％以上。这些结果表明颗粒尺寸为7～8nm的LTO纳米颗粒有望用于高倍率长寿命的镁二次电池体系，并揭示出有效调节纳米颗粒的尺寸大小对于开发适合镁二次电池的电极材料十分重要。　　（三）纳米钛酸锂负极材料之镁锂共脱嵌研究　　为了改善大尺寸材料在镁二次电池中的性能，提出借助混合离子共嵌/脱的思想，改善大尺寸材料在镁二次电池中动力学及电化学性能的观点，并结合第一性原理进行可行性理论分析。将锂离子引入镁电池体系的电解液中，设计出一种新型镁-锂协同发挥作用的镁二次电池。在此种电池体系中，LTO电极材料储镁性能对尺寸强烈依赖性得到了很大的缓解。通过调控电解液中镁离子/锂离子的浓度比例，大尺寸LTO纳米材料储镁的可逆性及动力学性能得到了显著的提高，即使是尺寸＞100 nm的无活性的材料，也能在镁电池里发挥出优越的性能。这为解除其他电极材料在镁电池中的惰性提供了可能。