锂离子电池作为一种化学电源的能源形式,具有工作电压高、能量密度大、重量轻、体积小、安全性好、绿色环保等优点,已成为新型高能绿色电池中的佼佼者,更是纯电动车和混合电动汽车领域应用最为成熟的动力电源,特别随着新能源汽车产业的迅速崛起,对其电池在长续航、快充放、高安全、长寿命等性能指标提出了更高的要求,因此研究和开发性能更优异的新型锂离子电池的电极材料是其发展的重要方向之一。本文选择锂离子电池的电极材料钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)和磷酸铁锂（LiFePO₄）作为研究对象,通过一系列实验和测试对其制备和改性进行了研究:具有“零应变材料”的Li₄Ti₅O₁₂在锂离子脱嵌过程中结构几乎没有变化,稳定性极强、且充放电平台平稳,具有十分优异的电化学可逆性和循环稳定性,以其作为负极材料制备的锂离子电池安全性好,绿色环保。但这种电池只有在较低倍率的放电条件下才能发挥其材料的性能优势,无法满足大功率设备的动力要求,且纯Li₄Ti₅O₁₂材料的电子电导率较低,不利于其作为电极材料的容量及循环性能的发挥。LiFePO₄具有稳定的结构,较高的工作电压、理论放电比容量高、循环寿命长且原料资源丰富、价格便宜、绿色环保,被很多研究者认为是最有潜力运用于电动汽车和混合动力电动汽车的新一代锂离子正极材料之一,但也因为自身的结构特点导致材料本身导电性能和大电流放电性能较差,限制了材料的应用与发展。针对Li₄Ti₅O₁₂和LiFePO₄存在的局限性,本论文重点结合碳纳米管（CNTs）和石墨烯（Graphene）优异的导电性及特殊的一维或二维柔性结构,对Li₄Ti₅O₁₂和LiFePO₄进行碳掺杂改性研究,旨在制备出性能优异的正负极复合材料。以高温固相法和微波法制备Li₄Ti₅O₁₂材料,两种方法均能得到结晶性能良好的尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂材料。微波加热是从材料的内部和外部同时进行的,材料受热均匀,制备的Li₄Ti₅O₁₂材料在颗粒大小和粒径分布均匀性方面有明显的优势,且极化较小,材料具有更好的容量性能和循环稳定性。采用高能球磨对高温固相法进行优化,以不同温度（700℃、800℃、850℃、900℃）烧结制备了不同掺杂量的（1%、3%、5%、7%）的Li₄Ti₅O₁₂/CNT复合负极材料。为了避免CNTs的团聚现象,使CNTs更均匀地分散在Li₄Ti₅O₁₂颗粒中,CNTs先经过酸化处理和超声剪切分散。实验结果表明800℃为最佳烧结温度,制备的Li₄Ti₅O₁₂/CNT复合电极材料具有很好的放电电压平台（1.54V）。在0.1C倍率条件下,掺杂量为1%、3%、5%、7%的Li₄Ti₅O₁₂/CNT复合负极（LTO/CNT）初始放电容量分别为168、200、196和176mAh·g-1,CNTs掺入含量为3%时,电极材料的电化学性能得到了最大程度的改善,有效减小了材料的阻抗,0.1C倍率条件的首次充放电效率接近100%,0.5C充电20C放电时,仍能保持较高的比容量（151mAh·g-1）,10C倍率条件下循环20次容量几乎无衰减。这是因为掺入适量的CNTs能在Li₄Ti₅O₁₂负极材料形成良好的导电网络,且CNTs具有特殊的管状结构,能吸附更多的电解液的同时也提供了更好的通道有利于锂离子的脱嵌和电子迁移,从而很大程度上改善了电极材料导电性能和循环倍率性能。CNTs掺入量过低,难以形成有效的导电网络,起不到改善电极电化学性能的作用;CNTs掺入量过高,一方面容易引起团聚,分散不均匀,另一方面会导致活性物质比例相对减少,反而不利于电极材料的电化学性能发挥。采用微波法制备Li₄Ti₅O₁₂/CNT/Graphene三元复合负极材料（LTO/CNT/GN）,并与纯 Li₄Ti₅O₁₂ 电极（LTO）、Li₄Ti₅O₁₂/CNT（LTO/CNT）和 Li₄Ti₅O₁₂/Graphene（LTO/GN）复合电极材料进行电化学性能的对比研究。同时掺入了 CNTs和Graphene,除他们本身具有十分良好的导电性能外,他们能在材料颗粒中形成的点与线、点与面以及线与面的接触,如此共同构成了有效的三维导电网络结构,大大促进了电荷迁移和锂离子的嵌入与脱出。此外,还能有利于电解液向四周不同方向快速渗透,使得电极材料与电解液接触面积变大,接触更加充分,因此有效地提升了电极材料的电化学性能。实验结果也表明,在制备的各样品电极中,LTO/CNT/GN复合电极具有最高的锂离子扩散率和最低的内阻,电荷转移电阻仅为74.13Ω,电导率提高到了1-1S/cm;0.2C倍率条件下首次放电容量最高（172mAh·g-1）;经100次循环后容量几乎无衰减,容量保持率为99.7%。20C放电条件下循环20次容量仍有132mAh·g-1,且经150次不同放电条件循环后再回到1C条件下进行循环性能测试,仍能回到初始容量。以高能球磨法和水热法制备了不同掺杂量（5%、10%、15%、20%）的LiFePO₄/CNT复合电极（LFP/CNT）材料,两种方法均能得到性能良好的LFP/CNT复合电极材料,水热法因无需高温烧结过程,因此制备的LiFePO₄材料颗粒更为细小,分布更为均匀。两种方法制备的LFP/CNT·复合材料中LiFePO₄颗粒与碳纳米管都均匀分布并交错在一起,CNTs在LiFePO₄颗粒之间形成网状结构,提供了导电网络,其中CNTs掺入量为10%的复合电极电化学性能最佳:阻抗最低,仅为56Ω;循环伏安曲线中的氧化还原峰最为尖锐平滑,峰高几乎均等,Li+在嵌入与脱出过程中极化作用十分小,电化学可逆性最好;0.1C倍率条件下充放电容量最大,分别为148 mAhg-1和145mAhg-1,0.5C放电容量为131mAhg-1;在60℃高温下,仍表现出良好的循环寿命性能,0.1C放电条件下循环30次后容量几乎无衰减,0.5C放电条件下循环30次容量保持率仍在94%以上。以水热法制备了 LiFePO₄/CNT/Graphene三元复合正极材料（LFP/CNT/GN）,同时制备了纯 LiFePO₄（LFP）、LiFePO₄/CNT（LFP/CNT）和 LiFePO₄/Graphene（LFP/gn）正极材料作为对比。LFP/CNT/GN三元复合正极材料具有最佳的电化学性能,阻抗最低,电荷转移电阻Rct仅为20.984 Ω,电导率为2.01 ×10-2S/cm;0.1C倍率条件下,LFP/CNT/GN三元复合正极材料具有最高的放电容量（168.4 mA hg-1）,约为LiFePO₄理论容量的99%,且充放电平台更长更平坦,且电压电势差最小（24 mV）,极化最小;在40 C倍率下的放电容量高达103.7 mAh g-1,是理论容量的六成以上,再回复到0.1 C倍率下充放电,放电容量仍能保持容量的168.4 mAh g-1,具有优越的倍率回复稳定性。这是因为石墨烯和碳纳米管共同在LFP/CNT/GN颗粒中构建起三维立体导电网络,为电子传递提供了多个维度的高导电路径。此外,由碳纳米管和石墨烯形成的通道便于电解液从各个方向渗透到复合材料中,有利于提高磷酸铁锂正极材料的倍率性能。