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钛基氧化物由于在脱嵌锂时体积膨胀率较小,且无锂枝晶和固体电解质界面（SEI）膜的生成,因而在大电流下表现出优异的循环稳定性和安全性能,适合用作高倍率锂离子电池电极材料。本文针对钛基氧化物(Li4Ti5O12（LTO）和Ti2Nb10O29（TNO）)电子/离子电导率低从而影响电极高倍率性能的问题,设计了一系列多维度碳阵列作为电极导电骨架,提供电子快速传输通道;利用原子层沉积（ALD）、水热、溶剂热等方法负载纳米级氧化物,缩短离子/电子传输路径;并结合离子掺杂,提高钛基氧化物本征电子电导率和离子扩散效率。多种改性手段协同作用,有效改善了钛基氧化物的电化学性能。同时,本文利用电子顺磁共振谱和紫外-可见光谱等探索了钛基氧化物电化学性能提升的机理。此外,本文也研究了Li4Ti5O12//LiFePO4（LTO//LFP）和Ti2Nb10O29//LiFePO4（TNO//LFP）全电池的应用潜力。主要研究内容和结果如下:（1）通过化学气相沉积（CVD）技术在碳布上构建了丰富的碳纳米管（CNTs）网络,再通过ALD与化学锂化的结合在CNTs上负载LTO纳米颗粒得到CNTs/LTO核/壳阵列。ALD技术的使用保持了CNTs网络结构的完整。单根CNTs/LTO的直径为70?80 nm。CNTs/LTO具有良好的柔韧性,较大的比表面积和较高的导电性,促进了电极反应动力学,从而使电极表现出优异的高倍率性能和长循环寿命。由CNTs/LTO组成的半电池在30 C倍率具有102 mAh g-1的比容量,且在10 C进行5000次循环后,容量保持率达到86%。LTO//LFP全电池在20 C倍率下容量为91 mAh g-1,在10 C循环1500次后保持率87%。（2）通过CVD技术在碳布基底上合成了具有丰富开口空间的垂直石墨烯阵列（VG）,再通过ALD与化学锂化的结合在VG上负载LTO纳米颗粒,最后再通过CVD技术包覆CNTs网络得到VG/LTO-CNTs三明治结构阵列柔性电极。其中活性物质钛酸锂被VG骨架和相互连接的CNTs网络均匀地包覆在中间。VG与CNTs的双重作用为LTO提供了全方位的多孔导电网络,从而使电极表现出出色的超高倍率性能(100 C倍率容量为131 mAh g-1)和在20 C下长达10000次循环的超稳定循环寿命。（3）通过在泡沫镍上电沉积聚吡咯纳米线并碳化合成了氮掺杂碳纳米纤维（NCFs）阵列,再通过ALD与化学锂化的结合在NCFs阵列上负载了LTO纳米颗粒,并在氢气中热处理制造氧空位,得到H-LTO@NCFs核/壳阵列。无粘合剂的导电NCFs骨架为H-LTO的生长提供了坚实的支撑。其中,LTO晶格中的Ti3+与氧空位的存在降低了LTO的禁带宽度,实现了本体中电导率的提高。所设计的H-LTO@NCFs电极具有大的比表面积,高的电子/离子电导率和稳定的结构等优势,从而实现了优异的高倍率性能(50 C倍率容量为128 mAh g-1)和长达10000次循环的长寿命周期。LTO//LFP全电池在10 C经过2000次循环之后,可以保持100 mAh g-1的容量,容量保持率为85%。（4）通过CVD在Ti6Al4V网衬底上制备了TiC/C核/壳纳米线阵列,再通过水热在其上负载LTO纳米片阵列,并在氨气中热处理掺氮,得到N-LTO@TiC/C枝杈结构阵列。TiC/C导电骨架和N掺杂的协同作用为电极提供了大的表面积,高的机械稳定性以及高的电子/离子电导率,从而有效地提高了N-LTO@TiC/C电极的动力学性能。电极在不同工作温度下都表现出了优异的倍率性能(25 oC:143 mAh g-1/10 C;50 o C:122 mAh g-1/50 C),且实现了在10 C循环10000次仍可保持99.3%初始容量的长循环寿命。LTO//LFP全电池在20 C高倍率下仍可具有124 mAh g-1的容量。（5）通过CVD在Ti6Al4V网衬底上制备了TiC/C核/壳纳米线阵列,再通过溶剂热在其上负载TNO纳米颗粒,最后在TNO上化学聚合多巴胺并高温碳化,得到了三明治结构NC-TNO@TiC/C阵列。溶剂热生成的TNO纳米颗粒被包覆在连续的N-C壳层和TiC/C纳米线骨架之间。TiC/C阵列为电极提供了高电导率和高刚性的骨架支撑。根据密度泛函理论（DFT）结果,N掺杂碳层具有较低的Li+迁移能垒,促进了离子/电子传输动力学。因此,NC-TNO@TiC/C电极体现了优异的高倍率性能(1 C为318 mAh g-1,50 C倍率为202 mAh g-1)以及长循环寿命（在10 C经过10000次循环后容量保持率为85%）。TNO//LFP全电池在10 C高倍率下仍可获得141 mAh g-1的容量。（6）通过CVD在Ti6Al4V衬底上制备了TiC/C核/壳纳米线阵列,再结合电沉积和CVD在纳米线上负载空心碳片,之后通过溶剂热在碳片上负载TNO纳米颗粒,最后在三聚氰胺热解气氛下掺氮,得到了N-TNO@TiC/C-NC枝杈结构阵列。导电的多级结构TiC/C-NC骨架不仅可以增强整个电极的电子导电性,还可以提供更多的活性负载位点并确保结构的稳定性。此外,TNO中的氧缺陷和N掺杂可以减小带隙并扩大晶格,从而提高其固有的电子和离子电导率。上述内部和外部策略协同作用,可加速N-TNO@TiC/C-NC的反应动力学,从而实现较长的循环寿命（可达10000个循环）并在液态电池(100 C倍率具有165 mAh g-1的容量)和固态电池(40 C倍率具有108 mAh g-1的容量)中表现出优异的高倍率性能。此外,在TNO//LFP全电池中也证实了其优异的高倍率性能(50 C高倍率下仍表现出118 mAh g-1的较高比容量)。