锂离子电池（LIBs）因其容量高、循环寿命长和环境友好等特点,受到了广泛关注,并被应用在便携式电子设备和电子交通工具等方面。二氧化钛（TiO₂）由于低价、无毒、结构稳定、安全性高等优点而被深入研究。然而TiO₂的电子和离子电导率低等缺点限制了其在LIBs领域的应用发展。因此合成具有纳米级结构的TiO₂或将TiO₂与导电碳材料、金属材料、金属氧化物等材料进行复合改性来改善其缺陷迫在眉睫。本论文运用水热法制备了中空纳米结构TiO₂,并在此基础上分别与氧化石墨烯（RGO）和碳纳米管（CNTs）进行复合,以此制备出结构理想的复合物。将得到的材料采用XRD、SEM、TEM等技术进行表征,并将其作为锂离子电池负极材料进行循环伏安、充放电性能、交流阻抗等测试,以研究材料的电化学性能。本论文主要研究内容与结果如下:（1）运用控制变量法,研究实验过程中水热时间、水热温度、氢氧化锂用量、煅烧温度等对形成中空纳米结构TiO₂的影响,同时分析实验因素对电化学性能产生的作用。表征和电化学性能测试结果显示:当氢氧化锂用量为5 g、水热时间保持2d、煅烧处理温度为450°C、水热温度为130°C时,得到的样品结构形貌清晰明显、晶粒大小均一、结晶度高,具有独特的中空纳米结构。在0.5 C的电流密度下,中空纳米结构TiO₂初始放电比容量达到570 mAh g^-1,循环100圈后可逆比容量为223mAh g^-1。（2）采取一步水热法,将中空纳米结构的TiO₂与RGO复合,经水热和煅烧处理后的TiO₂仍保持中空纳米球状结构。中空纳米结构TiO₂均匀负载在RGO上,表现出很好的分散性和均匀的颗粒大小。通过掺杂不同质量的RGO,得到纳米复合物TiO₂@RGO。当掺杂50 mg RGO时,复合材料表现出最佳的电化学性能。在0.5 C电流密度下充放电时,TiO₂@RGO-50首圈放电比容量为633.5 mAh g^-1,100圈循环后仍能保持在352 mAh g^-1,在10 C大倍率电流密度充放电2000圈后放电比容量仍有217 mAh g^-1。而在0.5 C电流密度下,TiO₂充放电100圈后放电比容量为223mAh g^-1。在10 C电流密度下,循环2000圈后TiO₂放电比容量为135.5 mAh g^-1。实验表明TiO₂与RGO复合能够显著提高TiO₂的电化学性能。（3）采用一步水热法,在不添加分散剂情况下,只以钛酸四丁酯、碳纳米管、氢氧化锂为原料,结合煅烧处理工艺,制备出TiO₂和TiO₂@CNTs纳米复合材料。复合前后相比,复合后TiO₂尺寸变小,比表面积增大,但TiO₂中空纳米结构未发生变化。通过添加不同质量的CNTs,结合表征测试技术,得出当掺杂25 mg CNTs时TiO₂@CNTs复合材料表现出最佳的电化学性能。TiO₂@CNTs-25在0.5 C电流密度下循环100圈时放电比容量为335.5 m Ah g^-1,平均每圈循环效率仅损失0.329%。当电流密度增加到10 C时,TiO₂@CNTs-25循环2000圈后放电比容量为223.8 m Ah g^-1,继续经过6000圈循环后放电比容量仍有165 m Ah g^-1,具有比较稳定的容量,表现出复合电极材料的高度稳定性。实验证明,CNTs的加入将有效改善TiO₂作为锂离子电池负极材料的电化学性能。