锂离子电池（LIBs）因具有高效能、自放电小、无记忆效应和绿色环保等优势,广泛应用于交通、医疗和储能等领域,长期以来都是新能源方向的研发热点。锂离子电池用钛酸锂(Li4Ti5O12,LTO)负极材料因具有高且稳定的平台电压和“零应变”特性,可满足大功率用电设备安全性和稳定性的要求,发展潜力巨大。然而,钛酸锂负极材料的本征电子电导率和锂离子扩散速率较差、理论容量小,导致倍率性能差、体积能量密度低,限制了其规模化应用。本论文从提高钛酸锂负极材料的倍率性能和能量密度的方向出发,系统的研究了非金属元素掺杂、形成第二相以及形貌调控对钛酸锂负极材料结构和电化学性能的影响。结合第一性原理计算,深入探讨了不同的改性方法对钛酸锂负极材料的电化学反应的影响机制。论文首先研究了非金属元素掺杂对钛酸锂负极材料结构和电化学性能的影响。选取非金属元素（F、Cl、Br、I、C、N）对钛酸锂负极材料进行掺杂改性。其中,N、C、Br三种元素掺杂对钛酸锂电化学性能影响显著。三种元素掺杂均可产生不同含量的Ti3+活性位点,促进电子在钛酸锂晶胞内的转移。利用第一性原理计算,对比了掺杂后的钛酸锂的电子结构变化得出,三种元素掺杂可不同程度的提高钛酸锂中n-型Li10Ti14O32电子在修饰,提高了钛酸锂的电子电导率。N、C、Br掺杂的钛酸锂负极材料展现出优异的倍率性能。当倍率从0.1 C提高到20C时,C、Br、N掺杂的Li4Ti5O12负极材料的容量保持率由掺杂前的50.4%分别提升至67.1%、70.3%和72.1%。此外,C元素掺杂后使Li4Ti5O12的颗粒更小更均匀,缩短了锂离子的传输路径,锂离子扩散系数比未掺杂前提升了约2.5倍;Br元素掺杂后明显增加了晶胞体积,促进了锂离子在晶胞内的转移,增加了储锂能力,对低倍率下容量的提升效果较好。在倍率为0.1 C和0.5 C时,容量分别为174.5 m A?h?g-1和172.3 m A?h?g-1,接近理论容量175 m A?h?g-1;N元素掺杂后产生了氧空位,增加了离子-空穴浓度,同时形成了金属性的Ti N结构,可同时促进锂离子和电子的快速传输,展现出最好的倍率性能和最高的循环稳定性。在20 C的倍率下,N掺杂钛酸锂的容量比未掺杂前提升了41.8%;在10 C倍率下循环100次后,容量保持率由掺杂前的78.6%提升到93.8%。非金属掺杂对提升钛酸锂的容量和倍率性能非常有效,可以结合非金属元素自身的特点（如半径、电荷和对形貌的控制作用）协同改性,以求最大限度的提高钛酸锂材料的电化学性能。结合C、N、Br掺杂的优势,研究了共掺杂和包覆对钛酸锂负极材料结构和电化学性能的协同影响。使用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）做表面活性剂和C-N-Br的共掺杂源,在钛酸锂表面构建了原位生长的多功能Li2TiO3包覆层。制备出具有Li2TiO3包覆层和C-N-Br共掺杂的纳米级的钛酸锂负极材料。Li2TiO3层均匀稳固在钛酸锂的界面处,可减少纳米级钛酸锂的团聚,对改善钛酸锂的循环稳定性起到非常重要的作用。在20 C倍率下500次循环后,容量保持率为95.5%,是未改性前钛酸锂的8倍。立方结构的Li2TiO3同时提供了三维离子传输通道,有利于锂离子在界面处的转移,锂离子扩散系数比未改性前提高了近一个数量级。C-N-Br共掺杂提供了更多的Ti3+电化学活性位点、n-型Li10Ti14O32电子修饰、金属性的Ti N结构和离子-空穴浓度,有利于电子的传导。电荷转移电阻从改性前的63.4Ω降低至17.9Ω。高效的电子传导和离子传导可使电子和锂离子在短时间内同时达到电化学活性位点,表现出优异的倍率性能。在0.1 C和20 C的倍率下,容量分别达到177.3 m A?h?g-1和153.9 m A?h?g-1,容量保持率从改性前的51%提高至86%。构建利于锂离子传导的稳定Li2TiO3包覆层和增加掺杂缺陷浓度,可提高界面处锂离子和电子传输效率,对提升钛酸锂的倍率性能十分关键。在非金属元素共掺杂和第二相包覆成功制得高倍率性能钛酸锂负极材料的基础上,通过形貌调控,进一步提高其电化学性能。以羧基接枝的纳米碳粉（CC）和溴代十六烷基吡啶（CPB）作为TiO2的晶面的结构导向剂和C-N-Br共掺杂剂,通过控制前驱体的形貌,获得了层级粒/孔径结构的C-N-Br共掺杂钛酸锂亚微球。(LTOCPB-CC)三种形貌的钛酸锂负极材料。根据结构导向剂的选用情况,另外两种形貌（菱形、截断菱形）也被合成。层级粒/孔径结构的亚微球显示出最卓越的电化学性能。层级粒径分布降低了纳米级钛酸锂的表面能和循环过程中的应力,显著提高了钛酸锂负极材料的循环稳定性,该样品在20 C倍率下经过1000次充放电,每循环仅有0.008%衰减,仅为改性前钛酸锂单次衰减量的1/10。该形貌具有较高的振实密度,提高了钛酸锂的体积能量密度。层级孔由均匀的微介孔组成,可以快速的润湿电解质,促进电解质与活性物质的均匀接触,提高了锂离子在界面处的扩散速率,改性钛酸锂负极材料的锂离子扩散系数是未改性前52倍。在CC的还原作用下,C-N-Br掺杂浓度和氧空位浓度提高。由此产生的的Ti3+、n型Li10Ti14O32电子修饰、金属性的Ti N结构和离子-空穴浓度进一步增加,更有利于电子的传导。第一性原理进一步阐明,掺杂对n型Li10Ti14O32的电子结构影响较大,氧空位的形成对p-型Li11Ti13O32的电子结构影响显著,氧空位浓度的增加可实现p-型Li11Ti13O32向n-型Li10Ti14O32的转变。掺杂和氧空位引起的结构缺陷进一步增加了Li4Ti5O12中n-型Li10Ti14O32的电子修饰,显著增强了钛酸锂的电导率。改性后钛酸锂负极材料的电子电导率较改性前提高了近3个数量级,电荷转移电阻也由改性前的87.9Ω降低到11.1Ω。在形貌和结构缺陷的共同作用下,该材料表现出卓越的倍率性能。在0.1 C和20 C的倍率下,容量分别185.9m A?h?g-1和157.7 m A?h?g-1,在此倍率测试区间范围内,容量保持率从改性前的45%提高至86%。通过调控形貌和缺陷浓度,可协同提高钛酸锂的电化学性能。本论文通过非金属掺杂、形成第二相和层级粒径/孔结构等改性方法,系统的研究了形貌和结构缺陷对钛酸锂电化学性能的影响,这一研究设计思路对高倍率性能和高能量密度的钛酸锂负极材料的开发具有重要的理论指导意义和实际参考价值。