电极材料是电池中十分重要的部件,直接影响电池的电化学性能,特别是在负极方面,由于商用负极材料石墨的热稳定性和化学稳定性差,造成循环性能差,寿命缩短,甚至导致锂离子电池失效甚至燃烧。从取材方面考虑,本课题引入钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)作为锂离子电池负极材料,Li₄Ti₅O₁₂具有非常好的安全性能和循环性能,是十分有潜力的高性能锂离子电池负极材料之一。另一方面,锂资源的匮乏导致锂离子电池成本居高不下,特别在大规模储能设备应用中受到严重限制。而钠离子电池具有钠资源丰富,成本低等优点,开始被重视和研究。钠离子电池可能将成为在大规模储能设备领域代替锂离子电池的储能系统。然而钠离子电池研究属于一个较新的方向,一些存在的问题仍需要解决。例如钠离子的体积比锂离子大,还原电压高于锂离子,钠离子插入脱出主体结构时所造成的电极材料体积变化和结构稳定性问题更加显著,所以钠离子电池的电池活性和电化学性能更需要得到提升,而对电极材料的选择也需要更加苛刻。在本课题中将钛酸锂和二氧化钛（TiO₂）作为负极材料在钠离子电池中得到应用。虽然Li₄Ti₅O₁₂和TiO₂在锂离子电池和钠离子电池中具有安全性能高,使用寿命长等优点,但它们的导电性差影响其在高性能二次电池中的应用。为了改善导电性能,本课题对负极材料结构进行纳米化设计,并结合碳包覆改性和金属离子掺杂改性手段对材料的工作机理和改性机理进行了研究,将本课题分为如下四部分:（1）为了改善Li₄Ti₅O₁₂的导电性能,提高Li₄Ti₅O₁₂在锂离子电池中的容量,实验通过静电纺丝的方法和随后的高温碳化过程制备Li₄Ti₅O₁₂碳纳米纤维复合材料将所得的材料应用到锂离子电池中。纳米结构设计在提高储能材料电化学性能上是一种十分有效的改性手段。实验通过使用不同的碳化温度（550o C,650o C,750oC）得到不同形貌的Li₄Ti₅O₁₂碳纳米纤维复合材料。实验中探讨了碳化温度对材料形貌结构的影响以及电化学性能的影响。SEM结果表明了Li₄Ti₅O₁₂纳米颗粒均匀分散在碳纳米纤维基体中。Li₄Ti₅O₁₂碳纳米纤维复合材料的电化学性能包括循环性能和倍率性能都比未处理的商用Li₄Ti₅O₁₂高,因为纳米纤维结构有利于缩短锂离子的扩散距离和提供电子传递途径,从而提高材料的电化学活性。结果显示,在750℃碳化温度下制备的钛酸锂碳纳米纤维（简称LTO@CNF-750oC）的可逆容量最高（156.8m Ah/g）,循环稳定性最佳,100圈循环后容量仍保持平稳（164.7m Ah/g）,平均库伦效率到99.2%。LTO@CNF-750oC的倍率性能最佳,甚至到800m A/g的电流下容量还有101.2m Ah/g。所以在高性能锂离子电池钛酸锂负极中,一维纳米纤维结构设计是提高材料的电化学性能十分有效的改性手段。（2）将Li₄Ti₅O₁₂应用到钠离子电池负极中,并通过碳纳米纤维复合和铜离子掺杂改性提高Li₄Ti₅O₁₂的导电性,从而提升Li₄Ti₅O₁₂的嵌钠能力。实验在Li₄Ti₅O₁₂碳纳米纤维的基础上进行不同掺杂量的铜离子掺杂改性（简称Li4-xCux Ti5O12@CNF,x=0,0.05,0.1）。对材料进行形貌结构表征,以及对负极材料的电化学性能进行测试对比。此外,还对钛酸锂嵌钠机理进行了探索并探讨了铜离子掺杂对电化学性能的影响以及获得最佳掺杂量。结果表明通过XRD图谱可知少量铜离子掺杂没有改变Li₄Ti₅O₁₂的尖晶石结构,随着掺杂量的增加,结晶程度逐渐降低。SEM显示了Li₄Ti₅O₁₂的颗粒尺寸随着铜掺杂量的增加而减小,其中铜离子掺杂量为0.05mol的钛酸锂碳纳米纤维(简称Li_3.95Cu_0.05Ti₅O₁₂@CNF)含有的纳米颗粒尺寸均匀,分散密集。在钠离子电池电化学性能测试中,由交流阻抗（EIS）谱图显示Li_3.95Cu_0.05Ti₅O₁₂@CNF的交流阻抗值最小,说明其导电性能最佳。Li_3.95Cu_0.05Ti₅O₁₂@CNF拥有最高的放电容量（244.2m Ah/g）,最高的可逆容量（158.1m Ah/g）,较好的循环稳定性（92.9%）。说明铜离子掺杂有效改善了Li₄Ti₅O₁₂在钠离子电池中的电化学性能,且当掺杂量在0.05mol时改性效果最佳。所以Li₄Ti₅O₁₂在钠离子电池中具有很大的应用潜力,且铜离子掺杂改性是改善Li₄Ti₅O₁₂嵌钠能力的十分有效的方法。（3）由于钠离子电池的最大优势是成本低,而相对而言,Li₄Ti₅O₁₂在钛基负极材料中属于成本较高的一类。与Li₄Ti₅O₁₂相比,TiO₂材料除了结构稳定性好,还具有资源丰富,成本低,制备简单的优点,而且理论容量比Li₄Ti₅O₁₂高（335m Ah/g）,是十分有前景的钠离子电池负极材料。由于纳离子半径比锂离子半径大且钠金属还原性比锂金属低,可以用于锂离子电池的微米级TiO₂在钠离子电池中的电化学活性很低,所以在很多研究中都采用纳米尺寸的TiO₂。但由于纳米级TiO₂的比表面积大,容易与电解液发生副反应,生成不稳定的固体电解质界面膜（SEI）,产生不可逆容量,影响其循环性。所以本实验以聚乙烯砒咯烷酮（PVP）作为碳源实现碳包覆的改性手段,不仅能提高材料的导电性还能稳定TiO₂表面SEI膜的形成。通过形貌结构表征和电化学性能测试研究碳包覆改性对电化学性能的影响。实验证明,经过碳包覆改性以后,循环性能得到了很大的提高。碳包覆处理后,TiO₂@C可逆容量达242.3m Ah/g,在100圈充放电以后,容量保持率达87.0%,与未处理的TiO₂相比提高了33.8%。在800m A/g的大电流密度下,可逆容量也可达127.6m Ah/g,高于碳和纯TiO₂的容量。说明TiO₂在钠离子电池应用中具有很大潜力,且碳包覆改性对TiO₂的性能提高显著。（4）在前一部分中实现了TiO₂的碳包覆改性,与未改性的锐钛矿TiO₂纳米颗粒相比,改善了二氧化钛在钠离子电池中的循环性能。但按高性能钠离子电池的要求,TiO₂@C在100圈循环后容量仍有所下降,说明TiO₂纳米颗粒和碳的结合仍不够均匀分散。而一维纳米纤维结构基体能实现将TiO₂纳米颗粒均匀分散并与碳材料较好地结合。本实验通过静电纺丝方法制备一维TiO₂碳纳米纤维,用于高性能钠离子电池负极材料。此外,TiO₂有不同形式的晶体结构,这也会影响TiO₂纳米颗粒的嵌钠能力,为了了解TiO₂的晶型与性能的关系,实验采用不同的热处理温度（450oC,550oC,650oC和750oC）制备TiO₂@CNF,对材料进行表征,探讨热处理温度与形貌结构的关系。通过对材料的循环伏安法测试以及充放电测试,研究形貌结构与电化学性能的关系。结果所得,一维TiO₂碳纳米纤维呈现出连续的纤维状形貌,TiO₂纳米颗粒均匀分布在碳纳米纤维中。XRD结果显示TiO₂@CNF-550o C的TiO₂晶型为锐钛矿而TiO₂@CNF-650oC和TiO₂@CNF-750oC同时存在锐钛矿和金红石两种晶型。TiO₂@CNF-550o C在低倍率下具有较高的可逆容量和100圈后的容量保持率,而TiO₂@CNF-650o C具有最佳倍率性能。所以一维纳米结构设计能改善TiO₂在钠离子电池中的电化学性能,而且锐钛矿TiO₂有助于取得较高的可逆容量。