针对锂/钠嵌脱过程中存在的问题,本论文设计合成了具备特殊形貌的纳米结构材料,并将其应用到锂离子电池和钠离子电池负极中,进一步提升了电池的倍率性能和循环寿命,具体工作主要包括以下几个方面:1.中空六边形二氧化钛/碳复合材料的制备及其电化学性能研究。采用原位模板刻蚀法,制备了具有中空形貌结构的二氧化钛纳米片,并通过水热法采用葡萄糖对其进行碳包覆。得益于中空的形貌结构和碳包覆的协同作用,将其作为锂离子电池负极材料时,HHM-TiO₂/C电极展现出更好的可逆容量、倍率性能和良好的长期循环稳定性:在首次充放电过程中,具有高达81.7%的首次库伦效率;在电流密度为1A g^-1的情况下,循环500圈之后无明显容量损失;在大电流密度20 C的情况下依然可以释放125 mAh g^-1的比容量,并且当电流重新回到初始状态时,其比容量仍然可以可逆回归。HHM-TiO₂/C电极具有的良好储锂性能,主要归功于其具有高导电性基质的中空形貌结构,即使在大电流充放时也能有效地保持充放电过程中的结构稳定性。此外,薄碳层可以作为电子通道,增强复合材料的电导率。通过对具有独特结构的二氧化钛和碳复合材料的结构设计,有望为锂电池负极材料的设计和制造开辟一条新的途径。2.二氧化钛结构设计和有效赝电容特性实现长寿命和高功率钠离子电池负极材料的可控制备。缓慢的动力学反应被认为是高能量密度钠离子电池发展的最大瓶颈。在本论文中,通过有效的结构设计和元素掺杂最大程度发挥赝电容特性,使可逆反应在电极材料表面或近表面发生,有效地缩短离子和电子的扩散路径,减少反应发生时间从而提高钠离子电池的倍率性能和能量密度。采用水热法在N和P掺杂的三维碳骨架表面引入二氧化钛超细纳米颗粒和无定形碳,得益于结构的协同作用,该复合材料表现出优异的电化学稳定性和倍率性能,特别是在长寿命循环测试中,展现了超过5000圈的循环寿命,并且无明显容量损失。在10 A g^-1时,具有87 mAh g^-1的比容量,经过大倍率深充/放电过程后,容量依然可以可逆的回归。