能源与环境问题是当今世界的重大问题,可再生能源（诸如风能、太阳能和潮汐能等）是破解这一难题的有效途径。但可再生能源的利用由于受季节、气象、时间和地域条件的影响,具有明显的间歇性和不稳定性。为了将其并入电网,大规模能量存储系统（EESs）的发展便成为关键。近年来,由于资源丰富、价格低廉、可利用程度高的特性,钠离子电池（SIBs）被认为是锂离子电池（LIBs）的有效替代选择和发展大规模储能极具潜力的关键技术。但是,相对于锂离子0.76?的半径而言,钠具有更大的离子半径（1.02?）。在电化学反应过程中,钠离子更易影响电极材料的晶相稳定、界面形成和反应动力学。因此,设计能有效存储钠离子和利于钠离子快速扩散的电极材料极具挑战性。其中,由于价格合理、稳定性高、无毒性、电压平台适中以及可行的钠离子理论嵌入能,锐钛矿TiO₂被看作一类非常有潜力的钠离子电池负极材料。然而,锐钛矿TiO₂的电子/离子导电率较低,其钠离子储存机理尚存很大的争议以及相关性能改进手段复杂。这极大地制约了高性能、低价格和环境友好的钠离子电池负极材料锐钛矿TiO₂的研究。为了克服上述缺陷,我们开展了下述研究以提高锐钛矿TiO₂的相关电化学性能,阐述其尚不清楚的电化学现象,以及进一步实现锐钛矿TiO₂作为钠离子电池负极材料经济和环境友好的目标。（1）通过一次微晶取向连接的方法成功制备了具备均匀介孔分布的纺锤体形锐钛矿TiO₂二次颗粒,以解决纳米级TiO₂材料用于钠离子电池负极时所面临的问题,诸如团聚和衰减等。研究发现,降低反应物钛酸四丁酯的浓度,能有效控制粒径,表现为一次微晶粒径逐渐减小,二次颗粒粒径逐渐增大,从而导致微晶和颗粒间孔的演变。材料的多孔特性从二次颗粒随机团聚形成的几十纳米不均匀孔逐渐演变为一次微晶取向连接形成的几纳米均匀分布介孔。由此制备的二氧化钛微粒展现出好的微纳结构,能有效结合纳米微晶和均匀纳米孔的优势。1 C倍率下循环11000周,容量仍保持95 m Ah g^-1,展现出迄今为止最长循环寿命。在0.1 C和20 C时,其比容量分比为265和77 m Ah g^-1,具有极好的倍率性能。TiO₂均匀的介孔分布和没有二次颗粒随机团聚带来的不均匀孔,保障了材料的稳定结构和高的钠离子传导,从而有效提升了电池性能。此项研究证明对孔结构的深入理解和可控构建是有效提升钠离子电池电极材料倍率（钠离子传导能力）和耐久性能（材料稳定性）的方法。（2）基于对锐钛矿TiO₂充放电循环过程中结构变化的深入探索,成功解决材料在高倍率下缓慢的容量激活问题（长达1000周）。研究表明,锐钛矿TiO₂循环过程中容量激活行为与放电过程中锐钛矿晶相逐渐转变形成无定形相有关。晶相转变的程度受控于放电倍率和放电周数;相变程度大小强烈影响锐钛矿TiO₂的电化学性能。通过调节充放电条件,在前几周快速形成无定形相,容量激活得到加速。1 C倍率下,首周即获得163 m Ah g^-1的高比容量,且循环500周后无容量衰减。尤其在快速充电模式,如20 C(6.7 A g^-1)时,材料展现出179 m Ah g^-1的充电容量,能够满足能量的快速储存。此项研究加深了对当前充满争议的锐钛矿TiO₂钠离子储存机理和一些特殊电化学现象的认识,给予相关理论仿真计算和实验改性技术以指导。（3）探索电极非活性材料对锐钛矿TiO₂储钠性能的影响,首次采用水性粘结剂海藻酸钠（SA）成功制备高性能、低成本和环境友好的钠离子电池锐钛矿TiO₂负极。与传统聚偏氟乙烯（PVDF）粘结剂相比,SA显著地提升了电池性能。0.1 C倍率下,首周库伦效率达62%。1 C倍率下,比容量为180 m Ah g^-1,且500周后无衰减。在10C(3.4 A g^-1)高倍率时,循环3600周后,容量仍保持为82 m Ah g^-1,平均库伦效率接近100%。采用SA作为粘结剂,TiO₂电极的表观钠离子扩散系数提高两个数量级,并具有更小的电荷转移阻抗和固体电解质膜（SEI）阻抗。SA能有效减少电解液分解和副反应发生,提高电化学反应活性,抑制电极极化和维持电极形貌。这归因于SA粘结剂丰富的羧酸基团、高的杨氏模量和好的电化学稳定性。一般对活性材料进行改性的手段面临方法复杂、条件敏感和首周库伦效率偏低的缺陷,此项研究有效解决了这些问题,进一步扩充了改进锐钛矿TiO₂储钠性能的方法。