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锂离子电池以其高工作电压、高比能量、高比功率、长循环寿命和绿色无污染特性而成为动力电池研发的热点。电极材料是决定锂离子电池性能的核心和关键。“零应变”尖晶石结构Li4Ti5O12材料具备长循环寿命和高安全性等优点,是新一代动力型锂离子电池的理想负极材料之一。但电子导电性能差(电导率为10-13S·cm-1)和离子导电能力不高(Li+扩散系数为2×10-8cm2·s-1)的固有缺陷,在大电流充放电时极化大,容量衰减快,是其难以商品化应用的瓶颈。本文针对Li4Ti5O12材料倍率性能差这一瓶颈问题,以降低材料合成温度和时间,减小材料粒径为目标,研发了超声活化二步煅烧合成工艺,研究了超声活化、原料粒径、煅烧气氛等工艺条件对材料结构与性能的影响规律,获得了粒径小、倍率性能好的Li4Ti5O12材料。以通过提高电子导电率改善材料倍率性能为目标,研究了以尿素为N源的Li4Ti5O12表面自生长高导电TiN膜修饰,以及以聚丙烯腈为炭源的网状高电导聚丙烯腈炭原位包覆。研究了合成Li4Ti5O12材料的高温固相反应历程、晶粒生长动力学及煅烧气氛对其影响机制；建立了Li4Ti5O12电极颗粒导电模型,探讨了电极颗粒中电荷传递的动力学机制。主要研究结果如下：(1)优化确定了Li4Ti5O12负极材料的超声活化二步煅烧合成工艺,即Li/Ti摩尔比0.816、球磨混合2h、超声活化40mmin、600℃预烧8h和800℃高温煅烧10h；经超声活化的前驱体中不仅形成了中间相LiTi204+δ,而且获得了O.1C放电比容量为170.9mAh/g,3C放电比容量为90mAh/g,0.1C循环100次后容量保持率为90.7%的Li4Ti5O12材料。(2)揭示了原料粒度和煅烧气氛对Li4Ti5012材料性能的影响规律。Li4Ti5O12粒度随着Ti02原料粒度(5nm-800nm)增大先减小后增大,随着煅烧气氛中O2分压降低而减小,100nm的Ti02原料在高真空气氛下煅烧获得Li4Ti5O12的平均粒径最小为0.7μm,5C放电比容量为98.3 mAh/g,5C/0.1C容量保持率为56.7%,是空气气氛下所得材料的45.16%、1.50倍和1.47倍。(3)阐明了二步煅烧合成Li4Ti5O12过程中以中间相Li2TiO3为过渡相的高温反应历程,揭示了煅烧气氛对晶粒生长表观活化能及反应相变温度的影响机制,确定了Li4Ti5O12晶粒生长近似符合七次方晶粒生长动力学方程。晶粒生长过程表现为两阶段特征,空气气氛下大约以721℃为界,低温区表观活化能为60.15kJ/mol,高温区表观活化能为156.24kJ/mol;随着煅烧气氛中O2分压的降低,晶粒生长表观活化能增加,相转变点温度降低；两阶段转折点发生了Li2TiO3向Li4Ti5O12结构的反应相变,缺氧条件下,增加的晶粒生长表观活化能,阻碍了晶粒的生长。(4)通过尿素掺杂高温氮化,实现了Li4Ti5O12表面自生长高导电TiN膜(电导率1×104～4×104S·cm-1)修饰,所获Li4Ti5O12/TiN复合材料的3C首次放电比容量为130.2mAh/g,3C/0.2C容量保持率为80%,是未修饰样品比容量的1.70倍；通过聚丙烯腈掺杂高温热解,实现了Li4Ti5O12表面原位包覆网状高电导聚丙烯腈炭,所获Li4Ti5O12/C复合材料5C放电时的比容量为120mAh/g,5C/0.2C容量保持率为69.6%,是未修饰样品比容量的1.76倍。(5)建立了Li4Ti5Ol2电极的质量电阻模型为Rm=Adn,确定未包覆Li4Ti5Ol2电极的拟合指数n为3,Li4Ti5O12/C复合电极的拟合指数n为2；发现未包覆Li4Ti5O12电极颗粒的导电过程属于点接触电荷传导机制,而Li4Ti5O12/C复合电极颗粒的导电过程属于理想的双极扩散机制。