新能源汽车具有低污染和低排放乃至零排放等优点,近年来得到迅速发展。而电池作为新能源汽车的动力关键,其续航能力和安全性能至关重要。现阶段市场主流纯电动汽车以及混合动力汽车均使用锂离子电池。TiNb2O7材料（TNO）作为一种高倍率型锂离子电池负极材料,十分契合动力电池的充放电需求,同时其五个氧化还原电对提供了优异的理论比容量,高的对锂电位提高了电池的安全性。但是其自身电子和离子导电性较差的问题限制了其进一步商业化的应用,因此本论文分别采用了氧化石墨复合和镨掺杂对多孔球形TNO材料进行了性能改善研究。首先利用多种工艺制备了不同形貌的纯相TNO,其中通过水热法制备的TNO前驱体在750℃下煅烧的材料具有优异的多孔球形结构,数十纳米的一次微粒组装而成的微米结构提供了更高的比表面面积,有利于电解液的均匀分散。之后探究了煅烧温度以及GO复合量对材料形貌以及电化学性能的影响,其中2%-GO-TNO-750由于复合后导电性的增强以及比表面积的进一步增大而展现了最佳的电化学性能。将其和锂金属组成扣式电池,容量相对纯相材料有一定提升,500周循环后容量保存率高达91.70%,并且在高倍率下也展现了优越性能。和镍钴锰811材料构成扣式全电池测试1-3 V性能,2%GO复合后的TNO材料在800周1-3 V循环后仍有70.2%的容量保存率,远优于纯相材料全电池。最后利用半电池和全电池研究了宽电压区间充放电行为,改性后的材料展现了远优于纯相材料的循环性能,同时根据全电池充放电曲线进一步验证了氧化石墨参与反应生成稳固的SEI膜。利用第一性原理的密度泛函理论计算了镨掺杂铌酸钛材料的能带结构和态密度等信息,得出了镨掺杂理论上会提高材料的本征导电性和晶面间距的结论,提供了镨掺杂改性的理论可行性。后续通过XRD精修,透射电子显微镜以及紫外等表征方式测定了晶面间距和带隙的变化,验证了理论计算的正确性。通过XPS以及电化学性能测试推测,以任意化学计量比值进行材料制备,镨离子总会进入铌位点,这和实际材料中钛铌混排以及两种离子半径相近有关。实验结果表明4%镨掺杂的两种材料性能最为优越,相对于纯相TNO-750材料容量有不同程度的提升,循环性能和倍率性能也得到改善,这是由于材料掺杂后本征导电性改善,半径较大的镨离子增大了晶胞体积,并有氧空位的产生,拓宽了锂离子传输通道,有利于嵌脱锂的快速进行。恒电流间歇滴定技术以及赝电容半定量分析进一步研究了材料的嵌脱锂特性,镨离子的掺杂使得材料的锂离子扩散系数提高了5～10倍,同时使材料的电容容量占比提高,这也说明了材料优异的高倍率性能的来源。通过和NCM811材料组装全电池测试实际循环性能,600周循环后4%镨掺杂材料比能量和保存率均有较大改善,说明了镨掺杂是一种实用的改性方法。