锂离子电池（LIBs）因其具有能量密度高、使用寿命长及环境友好等优点,受到了极为广泛的关注和应用。其中,电极材料作为锂离子电池中的核心部件,对其电化学性能起着关键性的作用。二氧化钛（TiO₂）材料,相比于传统商业石墨负极,具有安全性高,结构稳定性好等优点,被认为是一种极有前途的负极材料。本文以二氧化钛材料为研究对象,重点围绕“提高二氧化钛材料的循环稳定性及倍率性能,研究充放电过程中结构演化机制”等研究内容,设计并构建分级多孔、纳微结构及多晶杂化结构,揭示了其作用机理和充放电过程中具体结构演化机制。本文的主要研究内容和结果归纳如下:（1）原位复合铜催化剂,制备出超薄纳米片组装蛋黄结构板钛矿TiO₂材料。铜催化剂能够降低反应势垒以及提高电极材料的电子导电性,协同超薄纳米片的赝电容特性,短的锂离子传输路径,大大改善了板钛矿型二氧化钛材料的储锂性能。（2）开展了纳米棒/链构筑的分级多孔锐钛矿TiO₂微球的制备及储锂机理研究。纳米链构筑TiO₂微球的性能优于纳米棒构筑TiO₂微球,证明了纳米链具有更多的交联结点的结构优势,大大改善了材料的倍率性能。需要特别指出的是,通过对长循环充放电后的电极材料深入探究,少量锐钛矿TiO₂在长期充放电循环中演化而成新相LiTiO₂。（3）制备了双连续多孔结构的无定形/锐钛矿TiO₂多晶杂化材料。得益于多孔核壳结构,大的比表面积,碳的化学力结合,无定形/锐钛矿晶界的存在,TiO₂材料具有非常优异的倍率性能和循环稳定性。深入探究不同电流密度循环后电极材料发现,小电流短循环后,材料形貌与相结构均无变化,而大电流超长循环后仍然有新相Li₁TiO₂纳米颗粒依附在材料的表面。（4）合成了纳米管构筑分级多孔TiO₂-B/锐钛矿/C复合材料,其中相互交连的纳米管形成堆积孔,比表面积高达295 m² g^-1。作为锂离子电池负极时,表现出非常优异的循环稳定性和良好的倍率性能。分级多孔TiO₂-B/锐钛矿/C材料的优异电化学性能主要归因于大的比表面积,原位碳复合,分级多孔结构以及多晶杂化的协同作用,大大提升了TiO₂的倍率性能。（5）开展了基于TiO₂负极和镍锰酸锂正极的全电池储锂性能研究。首先采用简单的固相反应方法合成了尖晶石镍锰酸锂,并测试了其作为锂离子电池正极的半电池性能。在此基础上,采用上述工作中最佳优化TiO₂负极材料与其相匹配,组装成锂离子全电池,测试表明,TiO₂/LiNi_0.5Mn_1.5O₄全电池具有较好的储锂性能,为TiO₂的实际开发及应用提供了实验支撑。