长循环寿命和安全性能高的锂离子电池是储能领域重点发展的方向之一。目前,尖晶石相钛酸锂Li4Ti5012(LTO)因为具有良好的循环性能与稳定性而受到广泛的关注。该结构非常稳定,在锂离子插入与脱出后,体积几乎不变。然而,解决由产气成造成的膨胀是LTO电池实际应用的一大挑战。在这种背景下,本论文主要使用原子尺度的球差扫描透射电镜、X射线衍射和气相质谱等方法,从LTO材料的制备、表面改性、电化学性能、原子尺度结构特征等方面对LTO催化电解液分解的产气反应机理进行了深入地研究。采用高温固相法制备LTO,通过XRD、SEM、TEM和元素扫描谱等表征了制备材料的结构和形貌,并研究锂源、退火温度及其烧结时间等与LTO材料结构、形貌和电化学性能的调控。结果显示选用碳酸锂作为锂源在850℃煅烧16h可以制备性能最佳的LTO电极材料。然后对制备的材料进行表面改性处理,通过液相覆膜法在LTO表面构建碳或氧化铝隔绝层,能够调控LTO电极的表界面电化学活性。电化学表征表明LTO表面包覆碳或氧化铝不仅显示出不同的Li界面扩散动力学,而且能够阻隔水的吸附以及与表面Ti-O悬键的直接接触,从而决定LTO半电池长循环性能。进一步,本论文通过深入的研究揭示了在材料界面附近协同产气现象,并从表面结构变化的角度阐明了 LTO产气的物理结构机理。通常认为LTO电池存在胀气问题是由材料表面化学活性引起的催化行为,但产气过程与诱因一直存在较大争议。LTO表界面结构弛/重建导致在表面形成Li-Ti反位的结构,使得表面16d的Ti离子迁入16c的嵌锂位,从而导致表面上Ti-O悬挂键的氧是负极化。因此,表面暴露的氧原子具有强路易斯碱性并且作为催化中心,参与电极与电解液界面的副反应过程。质谱(GC-MS)测量表明,Ti-0键碱性中心催化碳酸盐类电解液与含有的痕迹水发生加成消除反应,产生甲醇和二氧化碳等。这种本征的表面过程可以通过表面修饰来抑制,够通过节表界面附近的晶格畸变、吸水性以及选择性吸附能力等来调控催化强度,抑制产气过程。探讨了LTO在电化学循环过程中催化电解液分解的产气机理,得到了一系列重要的结论,对锂离子电池材料设计与机理认识等都具有指导意义,并深化了对可充放电电池界面的理解。