尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12，LTO)因其绝佳的循环稳定性与安全性而被认为是最有应用前景的下一代锂离子电池负极材料。然而LTO电子导电性差、振实密度低的缺点，限制了其在高功率场合的应用。研究表明其本身电子电导率低的缺点可通过掺杂、表面改性包覆碳以及制备成纳米颗粒而得到极大的改善。提高LTO的振实密度，从而实现提高其功率密度和体积比能量是研究LTO的另一个热点，这也是本文的选题依据与主要工作。　　本文首先采用液相法制备了由一次颗粒团聚而成二次微米类球形颗粒的LTO样品。实验方法为采用工业合成级别的TiOSO4· xH2SO4· xH2O水解得到一次颗粒团聚而成二次微米级别的类球形TiO2颗粒，系统研究了pH值，水解温度、时间，反应物初始浓度，及水解过程中是否搅拌等因素对产物粒径大小和形貌的影响，并确定最佳工艺条件（即水解pH值为1.0，水解温度为60℃，水解时间为20 h，反应物初始浓度为0.1 g mL-1，反应无需搅拌）。将此条件下得到的前躯体在500℃下煅烧5h得到结晶性很好的锐钛矿TiO2，然后以摩尔比5∶4的比例与LiOH·H2O混合后800℃下煅烧20 h得到二次微米颗粒的LTO(MS-LTO)。实验结果表明该方法制备的MS-LTO为纯相，并且较好地保持了TiO2前躯体的形貌结构，类球形粒径约为1～3μm，产物的振实密度高达1.38 g cm-3。MS-LTO组成的半电池在0.1C下充放电时，首圈库伦效率高达97％，在5C的电流密度下放电比容量仍然有81 mAh g-1，并且在1C和2C倍率下分别循环100圈而没有任何衰减，体现出该方法制备得到的MS-LTO具有优异的电化学性能及循环稳定性。　　其次，本文用喷雾干燥法制备了同样结构的LTO。实验中首先利用TiO2来研究不同实验条件（包括不同PVA含量，不同TiO2浓度以及不同喷嘴直径等因素）对颗粒尺寸和形貌的影响，确定最佳工艺（即PVA含量为TiO2质量的10％，TiO2与蒸馏水的质量比为3∶20，喷嘴直径为1 mm）。然后用TiO2与LiOH·H2O按照摩尔比5∶4混合后加入一定质量蒸馏水中常温下搅拌1h后喷雾干燥。将产物在800℃煅烧20h得到LTO。其振实密度为0.98 gcm-3，比水解法制备的MS-LTO稍低。实验证明LTO为纯相，电化学测试显示其首次放电比容量达到了169.4 mAh g-1，首圈库伦效率为95.7％。对1C和2C电流密度下进行了循环性能测试，分别循环100次后其放电比容量基本没有衰减，显示了极佳的循环稳定性。　　然后研究了锂离子在LTO中的不对称扩散动力学特性，用简单的固相法制备了LTO样品，装配成半电池和三电极体系进行了测试。结果显示充放电过程中，锂离子在LTO中嵌入脱出的速率是不对称的，因为尖晶石相Li4Ti5O12和岩盐相Li7Ti5O12中电子电导率和锂离子的扩散系数不同。充放电过程中岩盐相Li7Ti5O12中锂离子的扩散是一个倍率控制过程，因此大电流密度下LTO的电子电导率决定了性能好坏。这个工作对提高LTO的倍率性能提供了新的角度并强调了电子电导率的重要性。　　最后研究LTO在全电池中的应用，用简单的固相法制各了高电位的三元正极材料Li1+x(Ni0.25Co0.125Mn0.625)O2,19+x/2(x=0.375)作为正极。测试表明在0.025 C电流密度(5 mAg-1)下其首次充电比容量为299.4 mAh g-1，首圈放电比容量为231.6 mAh g-1，库伦效率为77.4％。还对其在不同电流密度下(16mA g-1，40 mA g-1，100 mA g-1)的性能进行了测试。然后和固相法制各得纯相LTO样品装配全电池，在5 mAg-1电流密度下充电比容量为276.3mAhg-1，而放电比容量为216.6 mAh g-1，库伦效率为78.4％。全电池放电比容量80.0 mAhg-1，能量密度约为160 Wh kg-1。当电流密度增大到20 mA g-1，能量密度约为122 Wh kg-1。显示了较好的倍率性能。同时在20 mA g-1的电流密度下循环11圈，其比容量衰减非常少，表明在高倍率下其循环性能也比较优异。　　本文利用廉价的原材料，简单的方法制备了具有高振实密度，良好电化学循环稳定性及高能量密度的LTO，提高了其在高功率器件上的实用性。同时证明了LTO中锂离子在充放电过程中传输的非对称性并对其进行了研究与解释。该研究成果为开发、制备下一代锂离子电池负极材料提供了新的方法与思路。