随着混合电动汽车的发展以及其对高能量密度和高功率密度储能器件的需求,锂离子混合超级电容器是近年来逐渐被关注的一种新型储能元件。锂离子混合超级电容器采用锂离子电池与超级电容器的电极材料,拥有锂离子电池和超级电容器电容的双重特性。与传统电容器相比,具有能量密度大的优良特性；与锂离子电池相比,具有功能以及功率密度高的优点。锂离子混合超级电容器的电极材料既包含具有电荷吸附活性的高比表面积的电容活性材料,又包含可与锂离子发生可逆脱嵌或氧化还原反应的电池材料,其能量存储过程既包含锂离子与电极材料体相发生的可逆法拉第化学反应,又包括电化学活性材料对锂离子的可逆吸脱附过程。本文研究了构成锂离子电容器的脱/嵌锂材料——磷酸铁锂和钛酸锂。磷酸铁锂与钛酸锂均具有低的导电性和低的Li+扩散系数的缺陷,这些缺陷限制了它们在大电流下实现快速充放电的可能。本文以提高锂离子电极材料的导电性,锂离子扩散系数,能量密度以及循环性能为目标,围绕如何能使在大电流下保持电极材料较高的比电容这一关键问题展开。一方面制备了具有纳米阵列形貌和结构的电极材料,另一方面通过电极材料本身改性,例如碳包覆,离子掺杂等来提高电极材料的导电性和锂离子扩散系数,使它们在较高的电流密度下也具有高的比容量,并且实现了快速充放电。采用SEM,XRD,Raman和EDS等方法分析了不同电极材料的形貌与结构,然后采用循环伏安法、充放电测试法以及交流阻抗法对不同的电极材料的电化学性质进行了测试和分析,本文的主要研究内容和结果如下。（1）碳包覆磷酸铁锂电极材料（C-LiFePO₄/TiN）的制备,形貌结构表征及其电化学性能的研究。基于对各种合成方法优缺点的比较,最后采用水热法合成了磷酸铁锂纳米颗粒,然后以蔗糖为碳源在氮气氛围下煅烧,形成碳包覆的磷酸铁锂（C-LiFePO₄）纳米颗粒。将C-LiFePO₄纳米颗粒原位沉积到氮化钛纳米线基底上,从而构建成碳包覆磷酸铁锂电极材料（C-LiFePO₄/TiN）。通过电化学测试,当电流密度为1 Ag^-1时,LiFePO₄/TiN与C-LiFePO₄/TiN纳米线电极材料的比电容分别为314 F g^-1和972 Fg^-1；当电流密度增加到20Ag^-1, LiFePO₄/TiN与C-LiFePO₄/TiN纳米线电极材料的比电容分别为140Fg^-1和472.4 F g^-1。而且,LiFePO₄/TiN与C-LiFePO₄/TiN纳米线电极材料在电流密度为20Ag^-1,循环400圈之后,比电容分别下降9.5%和3.7%,具有很好的大电流充放电性能和循环稳定性。交流阻抗显示,当开路电压为0.0V时,LiFePO₄/TiN与C-LiFePO₄/TiN纳米线电极材料的电荷转移电阻分别为0.3645ΩΩ和0.2512Ω,所对应的等效电路的电阻分别为5.447ΩΩ和2.678Ω；当开路电压为0.5V时,C-LiFePO₄/TiN纳米线电极材料的电荷转移电阻为0.2226Ω,所对应的等效电路的电阻为2.345Ω,表明引入高比表面积,高导电性的TiN作为基底材料,有助于提高材料的电化学性能;同时通过碳包覆可以有效提高材料本身的导电性,（2）碳包覆铁掺杂钛酸锂电极材料(C-Fe/Li₄Ti₅O₁₂)的制备,形貌结构表征及其电化学性能的研究。采用阳极氧化钛片合成的二氧化钛为钛源,氢氧化锂为锂源,结合固液相反应法合成钛酸锂纳米管阵列材料,然后以硝酸铁为铁源,十二烷基硫酸钠为碳源合成了C-Fe/Li₄Ti₅O₁₂纳米管阵列电极材料。经过充放电测试,结果显示当电流密度为1A g^-1时,Fe/Li₄Ti₅O₁₂比电容为516F g^-1。当电流密度增加到10Ag^-1时,Fe/Li₄Ti₅O₁₂比电容为350F g^-1；当电流密度为1A g^-1时,Fe/Li₄Ti₅O₁₂比电容为768F g^-1。当电流密度增加到10A g^-1时,Fe/Li₄Ti₅O₁₂比电容为379F g^-1,进一步表明,碳包覆可以有效提高电极材料本身的比电容。Fe/Li₄Ti₅O₁₂与C-Fe/Li₄Ti₅O₁₂在开路电压为0.5V下的Rct分别为14.1Ω和4.15Ω,可见由于碳的加入可以有效降低了Fe/Li₄Ti₅O₁₂本身的电荷转移电阻,提高了电极材料本身的导电性。Fe/Li₄Ti₅O₁₂与C-Fe/Li₄Ti₅O₁₂在0.5V时的Warburg阻抗分别为0.4869Ω和0.4183Ω,两者都具有更低的Warburg阻抗,因为Li₄Ti₅O₁₂本身呈现出阵列纳米管状结构,为电子转移提供了有效通道,使得离子扩散加快；而Fe3+嵌入到Ti4+位置为电子的迁移提供更多的空穴,使得更多的电子在Li4Ti5Oi2内部转移,导电性更强。而C-Fe/Li4Ti5Oi2具有更低的Warburg扩散阻抗,说明碳有效地包覆在了Fe/Li₄Ti₅O₁₂的表面,并且碳包覆加快了离子在电极和电解质之间传输过程。循环稳定性测试结果显示：为了验证该电极材料在大电流下充放电的稳定性,在10A g^-1下,500次循环测试,Fe/Li₄Ti₅O₁₂结果显示比电容下降了11.2%,C-Fe/Li4TisO12结果显示比电容下降了2.5%,相比Fe/Li₄Ti₅O₁₂, C-Fe/Li₄Ti₅O₁₂电极材料的具有更好的循环稳定性。（3）氮掺杂钛酸锂(N-Li₄Ti₅O₁₂)纳米线和纳米管阵列电极材料的制备,形貌结构表征及其电化学性能的研究。采用水热法合成了钛酸锂纳米线材料,采用阳极氧化的二氧化钛为钛源,氢氧化锂为锂源,固相-液相结合的方式合成钛酸锂纳米管状材料。然后将钛酸锂纳米线和钛酸锂纳米管材料进行氮掺杂,成功制备了N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线和N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管阵列材料。当电流密度为1 Ag^-1时,N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线和N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管的比电容分别为607.2 F g^-1和814.5Fg^-1,当电流密度增加到20Ag^-1时,N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线和N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管的比电容分别为182.9Fg^-1和352F g^-1。在电化学交流阻抗测试中,在开路电压为0.5V下,N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线与N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管电极材料的电荷转移电阻为1.45Ω和0.147Ω,N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线与N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管电极材料交流阻抗谱在高频区显出半圆弧,并且在低频区呈现直线状态。N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线与N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管在开路电压为0.5V下的Rct分别为1.45Ω和0.147Ω,N掺杂可以有效降低了Li₄Ti₅O₁₂本身的电荷转移电阻,提高了电极材料本身的导电性。N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线与N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管在开路电压为0.5V时的Warburg阻抗分别为0.5463Ω和0.5135Ω,两者都具有更低的Warburg阻抗,N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线本身呈现出纳米线阵列结构,而且线状结构中还包括介孔状结构,具有更大的比表面积,提高了活性物质的利用率；N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管呈现出纳米管阵列结构,其特殊结构,不仅提高了电极材料本身的比表面积,而且为电子转移提供了有效通道,从而提高了电极材料的利用率,电子传输速率和锂离子扩散速率；同时N掺杂有效降低Li₄Ti₅O₁₂的禁带宽度,使得更多电子在Li₄Ti₅O₁₂内部转移,导电性更强。在电流密度为10A g^-1时,对N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线与N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管电极材料进行500次循环测试,N-Li₄Ti₅O₁₂纳米线与N-Li₄Ti₅O₁₂纳米管比电容分别下降了5.1%和1.6%,表示这两种电极材料均具有良好的电化学稳定性。