论文在综述锂离子电池负极材料研究现状的基础上，系统探讨了新型高性能锂离子电池负极材料LiTi2O4的物理特征、导电机理、嵌锂特性、合成方法及电化学应用进展。首次利用碳热还原固相反应法制备了LiTi2O4，并对反应热力学可行性及其主要控制条件，产物的组成、结构、电化学性能、电极过程动力学以及用于LiTi2O4/LiFePO4新型锂离子电池的性能特征进行了研究。 采用键焓法估算LiTi2O4的标准生成焓约为—2870.648kJ·mol-1；利用半经验公式计算LiTi2O4的标准生成熵约为—312.034J·mol—1·K-1；计算表明，在1073K、1123K和1173K温度下，LiTi2O4的标准生成吉布斯自由能分别为—6009.622kJ·mol-1、—5843.299kJ·mol-1和—5715.234 kJ·mol-1，从而证明以Li2CO3为锂源、TiO2为钛源、碳为还原剂，通过固相反应合成LiTi2O4是完全可行的。 借助循环伏安、恒电流充放电、XRD等测试技术，系统研究了氩气保护下，温度、时间等主要热力学条件对固相反应法和半固相反应法合成LiTi2O4的影响特性。研究结果表明，在800℃～900℃范围内，固相反应速率随着焙烧温度的升高而加快，合成产物的电化学反应可逆性随着焙烧温度的升高而提高；在不同焙烧温度下，固相反应时间存在较佳值；在850℃下，固相反应法合成LiTi2O4的较佳反应时间约为36h，合成产物呈蓝灰色；在900℃下，半固相反应法合成LiTi2O4的较佳反应时间约为48 h，合成产物为纯正的天蓝色。 XRD测定结果表明，固相反应和半固相反应合成产物主要为尖晶石结构LiTi2O4，并含有少量较难消除的金红石型TiO2杂质，LiTi2O4的晶格常数分别为8.397 A和8.402 A。EDS测定结果表明，Ti、O原子比为1:2，这符合LiTi2O4分子式；固相反应和半固相反应产物的Ti、O重量百分比分别为50.3％、33.61％和53.12％、35.52％，前者较后者低，是由于前者方法合成产物中含有少量未反应完全的炭黑和金红石型TiO2。SEM测定结果表明，固相反应法合成产物粒形不规则，多数为小颗粒聚积体，平均粒径约为0.6μm；半固相反应法合成产物为类球形，平均粒径约为1.0μm。 电化学性能研究表明，固相反应法合成的LiTi2O4中含有少量金红石型TiO2或碳粉，但并不显著影响其本身电化学性能；多次循环伏安测试结果表明，LiTi2O4电极材料具有较好的电化学反应可逆性；其电流倍率为0.2C时的比容量可达128.5 mAh·g-1～133.6 mAh·g-1；充放电电流密度从0.2 C提高至1.0 C，容量衰减约37.6％；分别以0.2 C、0.5 C、1.0 C进行恒电流充放电，经过连续50次循环后，固相反应法和半固相反应法优化合成产物的放电容量分别为初始容量的75％、80％、70％和85％、81％、72％，两种样品的容量衰减随电流密度的变化并不十分显著，表明LiTi2O4电极材料的循环性能稳定，且具有较好的大电流性能。 采用电化学阻抗谱、线性极化法和恒电位间歇滴定法(PITT)研究了LiTi2O4电极的动力学特性。LiTi2O4电极的电化学阻抗谱中出现多个微弱的半圆弧，这可能与产物中含少量金红石型TiO2杂质相关；在不同开路电位下，LiTi2O4电极的欧姆电阻和电化学反应电阻不发生显著变化，表明LiTi2O4测定体系在电化学反应过程中具有相对稳定的电子导电性和嵌锂反应特性；随着放电深度增加，锂离子在LiTi2O4中的浓度增大，其交换电流密度也随之增大；锂离子在LiTi2O4中的扩散系数处于10-9～10-8 cm·s-1数量级，且扩散系数随着LiTi2O4电极嵌锂量的增加而增大。 以LiTi2O4作负极材料，LiFePO4作正极，组装新型LiTi2O4/LiFePO4锂离子电池，其工作电位约为2.0V，首次充电容量为83.3 mAh·g-1，循环充放电容量为80.7 mAh·g-1，库仑效率为96.8％。但是，LiFePO4的导电性差，其充放电平台电位偏离平衡电位较多，从而导致此电池的循环容量下降较快。