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锂离子电池在便携式电子设备领域所取得的巨大成功正在逐步扩展到需要更高安全性和更大能量密度的电动汽车领域。尽管石墨的理论容量高达372 mAh g-1,但石墨的安全性能和倍率性能较差。在近年来探索替代石墨的负极材料中,嵌入型的Nb基氧化物负极材料由于其高比容量,高安全特性,持久的循环稳定性和显著的赝电容行为等优点引起了广泛的关注。然而,这类材料的电子电导率非常低并且锂离子扩散系数较差导致其倍率性能不佳。因此,探索新的改性方法或新型Nb基负极材料来提高这类材料的电化学性能就非常有必要。(1)为了增加Nb基氧化物的电子传导率和锂离子扩散系数,最有效的方法之一就是将材料的粒径减小到纳米级别。为了显著提高Ti2Nb10O29的电化学性能,我们通过同轴静电纺丝技术结合低温煅烧首次制备了具有多孔结构的Ti2Nb10O29中空纳米纤维。Ti2Nb10O29中空纳米纤维的平均纤维直径为～500nm,壳厚度为～90nm,BET比表面积则高达40.6 m2 g-1。Ti2Nb10O29中空纳米纤维主要由没有发生团聚的一次纳米粒子组成,使其具有快速的电子和锂离子传输通道、较大的电化学反应面积和显著的赝电容行为。因此,合成出的Ti2Nb10O29中空纳米纤维显示了良好的电化学性能,包括大的可逆容量(307 mAh g-1),安全的工作电位(～1.66 V),高的首周库仑效率(90.8%),优异的倍率性能(在20C下为136 mAh g-1)和较佳的循环稳定性(在10C下循环500圈,每个循环的容量损失仅为0.06%)。(2)我们制备了一种电导率和理论容量比Ti2Nb10O29更高的CrNb11O29作为一种更好的新型Nb基负极材料。通过水热法和随后的低温煅烧,首次合成了直径只有30-50nm 的 CrNb11O29 纳米棒(CrNb11O29-R)。通过 Rietveld 精修、第一性原理计算、赝电容分析和原位XRD等表征技术系统地研究了 CrNb11O29-R材料的晶体结构-电性能和电化学性能之间的关联。CrNb11O29具有相对开放的剪切ReO3型晶体结构,材料中较大的晶胞体积使其具有较大锂离子扩散系数。Cr3+离子中的未配对的3d电子使CrNb11O29具有导体特性。纳米棒结构能够使电子沿纳米棒进行快速传输,缩短电子/锂离子传输距离,以及增大的电化学反应面积。CrNb11O29-R材料中的导体特性、结构和形貌优势使其具有优异的电化学性能,如超高的可逆容量(在0.1C时为343 mAh g-1),超高的首周库仑效率(96.9%),安全的工作电位(～1.68 V vs.Li/Li.+),优异的倍率性能(在10C时为228 mAh g-1)和显著的循环稳定性(10C下循环400圈,容量保持率为91.1%)。显然,CrNb11O29-R除了具有与Ti2Nb10O29相同的优点之外,还具有更高的理论和实际容量,更高的首周库仑效率,特别是更好的倍率性能。这项工作为未来高性能锂离子电池负极材料的设计提供了重要的理论参考。(3)本文中,我们设计了理论容量更大(高达400 mAh g-1)的富铌氧化物一AlNb49O124作为一种新的嵌入型负极材料,并通过固相烧结法和溶剂热法制备了AlNb49O124 微粒颗粒(AlNb49O124-M)和 AlNb49O124 多孔微米球(AlNb49O124-P)。AlNb49O124拥有非常稳定的剪切ReO3型晶体结构(C2空间群),其结构单元由3×4八面体块和半四面体通过共角连接而成。AlNb49O124中较大的层间距使其具有较快的锂离子扩散速率。AlNb49O124-P多孔微米球形貌能够提供更短的电荷传输距离和更大的电化学反应区域。AlNb49O124-P的这些结构和相貌优势使其具有优异的电化学性能,包括大的可逆容量(在0.1C时为321 mAh g-1),高的首周库仑效率(94.9%),安全的工作电位(～1.68 V vs.Li/Li+),显著的倍率性能(在10C下为192 mAh g-1)和优异的循环稳定性(在10C下500次循环后容量保持率为90.0%)。此外,组装的LiNi0.5Mn1.5O4//AlNb49O124-P全电池也展示出的优异的电化学性能,进一步证明了AlNb49O124具有潜在的实际应用。显然,AlNb49O124具有容量更大,成本更低,循环稳定性更好和锂离子扩散系数更高的优点,是一种非常非常吸引人的负极材料,完美地满足了动力锂离子电池对高安全性,高能量密度,高功率密度和长循环性能的四个关键要求。