新材料对能源转化和储备的发展以及全球变暖和化石能源耗竭两大问题的解决起着至关重要的作用。锂离子电池以其高能量密度、高功率密度、循环寿命长、安全性好及无污染等特点成为便携式电子设备及未来储能和电动车动力电源的理想电源。提高锂离子电池性能的关键是开发新型高容量、大倍率和长寿命的储锂材料，大量的研究工作着力于寻找新材料及探索多样化的合成方法。　　负极材料是锂离子电池的关键组成部分之一。TiO2作为一种锂离子电池负极材料受到研究者的广泛关注，其中金红石、锐钛矿和TiO2-B是被研究报道最多的晶相。在电位1.5-1.8 V(vs.Li+/Li)下TiO2发生锂嵌入/脱出，高于Li的沉积电位，可避免锂枝晶的产生和电解质的分解，提高电池的安全性;且在Li+嵌入/脱出过程中体积变化小，产生良好的循环稳定性。但TiO2本身离子导电率和电子导电率较低，限制了TiO2电极材料的大电流充放电性能。针对TiO2的低离子迁移率和电子导电率这两点，主要通过构造层级结构来提高锂离子的传输和形成复合材料来提高电子电导率，从而改善TiO2电极材料的倍率性能和循环稳定性。本论文以TiO2为研究对象，通过制备球形微纳结构、引入导电网络等方法对TiO2材料进行处理，并研究微观结构对TiO2电极材料电化学性能的影响。　　TiO2材料可以通过引入导电碳网络来提高其电子导电能力，本论文首先利用聚环氧乙烯(PEO)改性多壁碳纳米管(MCNTs)，形成稳定的三维导电网络，进而使锐钛矿TiO2纳米粒子产生和沉积在CNTs/PEO复合物上，最终形成介孔三维导电网络TiO2/CNTs复合物。为了探索CNT三维导电网络对电化学性能的影响，实验制备出介孔TiO2粉体，作为工作电极进行性能比较。此外，为了进一步研究PEO对材料形貌的影响，我在初始温度60℃下不加PEO制备的粉体记作TiO2/CNTs-60C(without PEO)。我通过对初始反应温度的优化得到最佳性能的TiO2/CNT三维导电网络复合电极(TiO2/CNTs-110C)。TiO2/CNTs-110C电极拥有比容量大、优越的高倍率能力和良好的长时间循环稳定性。在大电流8000 mA g-1(47.6C，1C=168 mAg-1)和15000 mA g-1(89C)下，TiO2/CNTs-110C电极的初始放电容量分别达到91和79 mAh g-1，而且循环100次后容量几乎没有衰减。　　此外，我采用一定程度的石墨烯作为碳支撑材料加入到TiO2材料进行复合改性。TiO2纳米管和TiO2/石墨烯复合物通过在碱性溶液中进行水热反应获得。同时，我还探索了石墨烯含量对TiO2/石墨烯复合物的结构形貌和电化学性能影响。在TiO2/石墨烯复合物中还原石墨烯的量存在一个最佳值，适量的石墨烯才能使复合物拥有开放稳定的结构，确保作为高功率锂离子电池负极材料时能够获得高倍率性能和优异的长时间循环稳定性。随着石墨烯量的增加，TiO2/石墨烯复合物的相结构和形貌会随之变化。过多的石墨烯不利于二氧化钛纳米管的生长和锐钛矿相的形成。TiO2/石墨烯复合物中记作TiO2/Graphene的电极表现出最佳的电化学性能，且在水热过程中TiO2形貌由颗粒向纳米管转变，伴随着石墨氧化物被还原成石墨烯。制备得到的TiO2/Graphene复合物电极拥有高锂储存容量、优越倍率性能和长时间循环稳定性。此外，我还提出了TiO2/Graphene复合物电极产生高倍率性能的可能机制。　　TiO2纳米化层级结构不仅能够缩短锂离子的扩散路径，从而提高其倍率性能，而且能够改善循环稳定性。从实用化角度看，球形结构电极材料相比其它层级结构具有显著优势，因其高堆积密度和较低表面能可产生较高体积比能量和良好的循环稳定性。我设计和组装出两种二氧化钛微球结构，并研究分析其微结构对材料的电化学性能的影响。我通过一步溶剂热反应和后续热处理过程合成出一种微球结构——多孔混合相TiO2微球。接着，对多孔TiO2微球进行结构解析。我还考察其结构、晶相与材料的电化学性能之间的构效关系，特别是倍率性能和循环稳定性。在大电流充放电时，TiO2-B的赝电容效应在电化学反应过程中起着主导作用。此外，混晶结构产生的异质结界面由于能量低被看作高电子导电带和高锂离子扩散通道，这种相界面对电子转移和锂离子迁移有着重要贡献。该层级多孔TiO2微球负极在电流密度100 mA g-1时放电容量达292 mAh g-1，在电流密度4000 mA g-1下循环4500次后比容量仍保留117 mAh g-1（63％的初始放电容量）。　　另外，我通过简易无模板共沉淀即在普通溶剂中发生水解反应的方法制备出由统一的TiO2纳米粒子自组装而成的纳米晶中孔TiO2微球，该制备方法简便，低能耗，易大规模生产。接着，对中孔纳米晶TiO2微球进行特性分析。我还考察其中孔结构对电化学性能的影响，特别是倍率性能和循环稳定性，以及探究其电极界面动力学过程。纳米晶TiO2中孔微球负极在倍率0.06C和0.12C时初始放电容量分别达到265和234 mAh g-1。此外，我对这种微球提出了对应的结构模型——纳米粒子形成中孔的组装形式，近似球形的TiO2纳米晶粒子以其独特的堆积方式给中孔微球提供较高的孔容，形成的结构比通常紧密堆积的立方或六方结构更疏松，因而，TiO2纳米晶自组装微球电极的界面有利于锂离子插入和脱出。电化学阻抗测试为纳米晶中孔微球电极反应提供详细的动力学过程研究，并给出产生良好稳定性和可逆性的可能机制。