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锂离子电池作为新一代绿色能量储存和转化装置,被广泛应用于通信设备、便携式电子设备、静态储能系统、电动汽车等领域。目前,碳材料因其价格低廉、资源丰富等优点被广泛用作商业化锂离子电池的负极材料。但碳负极材料在放电至较低电压时,会产生锂枝晶,导致电池短路,易造成严重的安全问题；同时,在不断的充放电过程中,碳负极的表面不可避免地形成一层不稳定的电子绝缘固体电解质界面膜(SEI),导致容量的快速衰减和性能的恶化,制约着碳负极材料的发展和应用。钛基氧化物材料(TiO2和Li4Ti5O12相对于传统碳负极材料具有较高的电压平台、充放电过程中体积变化小等优点,具有很好的安全性和循环稳定性,被认为是一种非常有应用前景、可替代碳的新型负极材料。然而,钛基氧化物负极材料较低的电子传导率和锂离子扩散速率导致倍率性能不佳,从而限制其实际应用。提高电子的传导和锂离子的传输,已成为钛基氧化物材料的主要研究方向之一。本文在综合论述了锂离子电池负极材料、TiO2负极材料、Li4Ti5O12负极材料研究现状的基础上,以钛基氧化物材料TiO2和Li4Ti5O12为研究对象,设计阶层多孔、微纳结构、多相复合结构,采用溶胶-凝胶技术,分别制备了阶层多孔二氧化钛／碳(TiO2/C)复合材料、椭球形微纳结构钛酸锂-二氧化钛(Li4Ti5O12-TiO2)复合材料、钛酸锂/二氧化钛/碳(Li4Ti5O12/TiO2/C)纳米晶复合材料、多孔TiO2气凝胶材料等材料体系,分析了钛基氧化物材料的溶胶-凝胶制备机理,探索尺寸、形貌、以及材料复合对电极材料的电化学性能影响,揭示了纳米化、多孔结构、微纳结构、多相复合的作用机制,借助形貌和微结构的调控来改善钛基氧化物材料的倍率性能和循环稳定性,为钛基氧化物负极材料的实际应用奠定重要基础。主要研究结果如下：(1)开展了阶层多孔二氧化钛/碳(TiO2/C)复合材料的制备及其储锂性能研究。以硫酸氧钛为钛源,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为相分离诱导剂和碳源,采用溶胶-凝胶伴随相分离法制备了TiO2/C复合材料。所制备的复合材料具有独特的阶层多孔结构,其大孔呈三维共连续贯通,孔径为1-3 μm,骨架由10～30 nm的纳米晶集聚而成；PVP在惰性气氛中裂解为碳,与Ti02材料进行原位复合。所制备的阶层多孔TiO2/C复合材料表现出优越的电化学性能,在1 C下循环100次容量保持在132 mAh g-1,30 C大倍率下可逆容量仍达96 mAh g-1。阶层多孔、高比表面积、碳原位复合是TiO2/C复合材料具有优异循环性能和高倍率性能的主要原因。(2)开展了椭球形微纳结构钛酸锂-二氧化钛(Li4Ti5O12-TiO2)复合材料的制备及其储锂性能研究。以钛酸四丁酯为钛源,二水合醋酸锂为锂源,冰醋酸为凝胶促进剂,采用溶胶-凝胶法制备了椭球形微纳结构Li4Ti5O12-TiO2复合材料。所制备的材料是具有微纳结构的多相复合材料,相组成为Li4Ti50O12、锐钛矿和金红石,尺寸为30-80 nm的纳米晶单元构成了椭球形微米颗粒,其颗粒尺寸为3-5 μm。微纳结构多相复合材料拥有大量的相界,有效提高锂离子的传输速度,显示出优异的储锂性能,在10 C下循环100次后可逆容量保持为92mAhg-1,即使在30 C大倍率下,其容量依旧有89 mAh g-1。研究表明微纳多孔结构和多相复合能有效改善Li4Ti5O12材料的电化学性能。(3)开展了钛酸锂/二氧化钛/碳(Li4Ti5O12/TiO2/C纳米晶复合材料的制备及其储锂性能研究。以钛酸四丁酯为钛源、二水合醋酸锂为锂源、冰醋酸为凝胶促进剂,采用溶胶-凝胶法制备了Li4Ti5O12/TiO2/C纳米晶复合材料。所制备Li4Ti5O12/TiO2/C纳米晶的物相组成为Li4Ti5O12和锐钛矿型TiO2,尺寸分布在50-100 m。相对Li4Ti5O12与Li4Ti5O12/TiO2, Li4Ti5O12/TiO2/C纳米晶复合材料表现出更好的倍率性能和循环稳定性,30 C高倍率下,其可逆容量仍达88 mAh g-1,在1 C倍率下100次循环后可逆容量保持在102 mAh g-1,为初始容量的80%。Li4Ti5O12/TiO2/C纳米晶的优越电化学性能主要来源于纳米晶、多相复合和原位生成碳的综合作用。(4)开展了多孔TiO2气凝胶材料的制备及其储锂性能的研究。以钛酸四丁酯(TBOT)为钛源、F127为表面改性剂,采用溶胶-凝胶法结合表面改性,常压干燥制备了TiO2气凝胶材料,并首次将TiO2气凝胶材料应用于锂离子电池负极材料。所制备的气凝胶具有高孔隙率,其比表面积高达431 m2·g-1.900℃热处理得到结晶完全的锐钛矿TiO2气凝胶,其比表面积减小至131m2·g-1。 800℃热处理的TiO2气凝胶表现出最优的电化学性能,其初始的放电和充电容量分别为180和135 mAh g-1,首次库伦效率为75%,100次循环后其可逆容量能保持在114mAh g-1,较好的电化学性能得益于均匀的孔结构、较高的比表面积和较好的结晶性。