锂资源的日渐匮乏、原材料价格的日益增长,限制了锂离子电池的长远发展。因此,亟需发展新一代、综合效能优异的储能二次离子电池新体系。钠离子电池具有钠资源丰富、成本低、钠与锂理化性质相似等优势,受到研究者们广泛的关注。研究证实,限制钠离子电池发展的关键攻关技术就是高性能、高安全性正负极材料的研发,因此,对钠离子电池电极材料的探究势在必行。TiO₂因为其安全性高、储钠电压平台合适、储钠过程中结构稳定、价格低廉、制备方法简单以及理论电化学性能指标优异,已成为潜在的应用型钠离子电池负极材料。但是,TiO₂的电子和离子导电性差,将其用作钠离子电池电极材料时的电化学性能不理想。因此,本论文以TiO₂为研究对象,依次从其相结构、微观形貌、化学环境和电子结构四个方面着手,对其在钠离子电池中的性能进行了优化,并通过电化学分析手段、非原位的谱学和显微技术构筑了TiO₂微结构（相结构、微观形貌、电子结构）、电化学性能以及储钠性能优化机理三者之间的构效关系,设计并优化出了高性能的离子掺杂锐钛矿相TiO₂纳米管钠离子电池负极材料。本论文的实验思路及方法,将为设计和合成高性能的钠离子电池电极材料提供参考和指导。论文的详细内容如下:1.TiO₂具有多种相结构,因此,对TiO₂在钠离子电池中的性能进行优化时,首先需要对其相结构进行系统的研究。我们筛选出了具有电化学活性的、易于制备的锐钛矿相、金红石相和TiO₂（B）相三种晶体结构作为研究对象,分别将其作为钠离子电池的负极材料,评估了其电化学性能,并通过后续的电化学动力学性能分析,优化出最佳的储存-传输钠离子的Ti O₂相结构为锐钛矿相结构。2.纳米化TiO₂电极材料微观形貌的构筑,是一种提高其离子电导率及其钠离子储存和传输性能的有效手段。我们以锐钛矿相结构的TiO₂为研究对象,对其微观形貌进行优化。我们制备了TiO₂纳米管、TiO₂纳米棒、纤维状TiO₂、TiO₂纳米颗粒自组装成的纳米球以及金属有机框架（MOFs）基的饼状TiO₂,分别作为钠离子电池的负极材料,通过后续的电化学性能的表征,电化学性能最佳的TiO₂微观形貌为纳米管结构,通过后续的电化学阻抗（EIS）谱学技术分析了其电化学性能优异的机制,揭示了TiO₂的纳米结构、电化学动力学性能与电化学性能之间的内在关系。3.TiO₂由于电子导电性差,所以将其作为钠离子电池负极材料时仍存在着可逆性差、可逆比容量低、循环寿命短等问题;因此,我们采用了碳复合对其电化学环境进行优化,从而提高TiO₂基电极材料的导电性和储钠性能。我们以锐钛矿相TiO₂纳米管为研究对象,以具有强的化学稳定性、优异的电子导电性和内含丰富的电化学活性离子储存-传输位点的三维层次孔结构的石墨烯海绵体作为负载基底材料,制备了石墨烯海绵体负载锐钛矿相TiO₂纳米管的钠离子电池负极材料,并通过调控两者的复合比例,对其化学环境进行优化,获得了最佳的储钠性能:其在50 mA g^-1的电流密度下,首周库伦效率为44%;循环100周后,可逆比容量为273 mA h g^-1;在5 A g^-1的大电流密度下,可以稳定循环3000周。4.尽管通过与石墨烯海绵体的复合,能提升TiO₂基电极材料在钠离子电池中的电化学性能,但是由于电极材料中碳类材料的引入会导致其在充放电过程中产生钠枝晶,有刺破隔膜,进而引起电池短路、燃烧和爆炸的安全隐患。因此,我们采用了离子掺杂的手段,对其微结构进行优化,进而提升其作为钠离子电池电极材料的电化学性能。我们以锐钛矿相结构的TiO₂纳米管为研究对象,通过对离子掺杂的难易程度、掺杂前后的晶格失配度、掺杂元素的含量以及掺杂后晶格结构稳定性等方面进行分析和研究,分别采用了同价态阳离子掺杂(Sn⁴⁺)、异价态阳离子掺杂(Ni²⁺)和阴阳离子共掺杂(Ni²⁺和N)三种不同的方法,对TiO₂的微结构和钠离子的储存和传输性能进行优化,最终优化出了高性能的TiO₂基钠离子电池负极材料:在50 mA g^-1的电流密度下,首周库伦效率为65%;循环500周后,可逆比容量为303 mA h g^-1,容量保持率为96%;具有优异的倍率性能;在5 A g^-1的大电流密度下,可以稳定循环8000周。并通过后续的非原位谱学和显微技术首次阐释了未掺杂和不同类型的离子掺杂对于钠离子在TiO₂电极材料中存储与输运的普遍规律及特殊行为。并首次揭示了不同类型的离子掺杂以及离子掺杂量对于TiO₂微结构（相结构、微观形貌、电子结构）的影响,及其与电化学性能之间的构效关系。