与已经商业化的石墨负极相比，尖晶石型的Li₄Ti₅O₁₂被广泛认为是最有希望在锂离子电池上大规模应用的电极材料之一。Li₄Ti₅O₁₂在充放电过程中有一个平坦且相对较高的嵌锂电位1.55V （vs. Li/Li+），这样就避免了锂枝晶的出现，具有更高的安全性；Li₄Ti₅O₁₂在充放电过程中体积几乎不发生变化，是一种零应变材料；Li₄Ti₅O₁₂拥有较高的热稳定性，尤其在高温条件下。然而Li₄Ti₅O₁₂的电子导电率比较低（＜10-13S cm-1），限制了其实际应用。本论文通过掺杂Nb⁵⁺、包覆高电导率的掺氮的碳以及构建多级的纳-微相结合的结构等方法改善Li₄Ti₅O₁₂的电化学性能。具体研究内容如下：（1）采用静电纺丝技术制备了1D多级结构的Li₄Ti₅O₁₂/C以及不同Nb掺杂的Li₄Ti₅O₁₂/C纤维，研究了不同的掺杂量对其电化学的影响。研究表明，Nb-Li₄Ti₅O₁₂/C具有良好的倍率性质以及循环稳定性，其中Li₄Ti_4.95Nb_0.05O₁₂/C在10C下的初始容量为140.1mAhg1，恒流充放电100次后容量为139.7mAh g1，仅有0.286%的容量损失。Li₄Ti_4.95Nb_0.05O₁₂/C由二次纳米颗粒镶嵌的1D多级结构缩短了充放电过程中Li+的传输路径，增大了电极材料与电解液的接触面积，Nb⁵⁺的掺杂导致材料中同时存在Ti4+/Ti3+，在材料以及内部的二次颗粒表面均匀包覆的碳层，大大增加了材料的导电率，有利于电解液离子在电极材料内部的快速穿插。（2）将预包碳技术高能球磨相结合，制备了Li₄Ti₅O₁₂、碳包覆的Li₄Ti₅O₁₂以及掺氮的碳包覆的Li₄Ti₅O₁₂纳米颗粒，详细探讨并对比了其电化学行为。掺氮的碳造成了碳结构的缺陷且在材料内部形成了一个连续的导电网络，大大提高了材料的导电性，另外在材料表面均匀的碳层包覆抑制了材料颗粒在高温反应时的生长，纳米级的颗粒保证了充放电时锂离子的快速脱嵌。在20C的大倍率下，掺氮碳包覆的Li₄Ti₅O₁₂的放电容量为128.2mAh g-1，在1C下经过1000次的循环后，容量保持率高达95.9%。（3）采用水热方法制备了多级结构的Li₄Ti₅O₁₂微纳米球，这种多级的纳-微结构增大了活性物质与电解液的接触面积，有利于锂离子和电子的传输，同时还缩短了锂离子在活性物质中的扩散路径。不同的Li/Ti配比对产物的组成与纯度的影响研究表明，在最佳Li/Ti配比条件下所制备的Li₄Ti₅O₁₂在1C倍率充放电时的放电容量达163.5mAh g-1，100次循环后容量仍能保持在161.3mAh g-1，容量保持率达到98.7%。