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具有高功率密度、高能量密度和高安全性能的可以反复充放电锂离子电池技术是便携式电子设备、动力电车以及大型储电站设备的优质能源。钛氧化物结构材料由于其独特的“零应变”晶体结构,具有优异的循环稳定性。其高操作电压也使其作为锂离子负极材料具有高安全性。但是,钛氧化物材料由于自身的低导电率(10-13 S cm-1)和慢的锂离子扩散系数(10-9～10-13 cm2 s-1),它们在高倍率电池技术应用方面受到很大程度的限制。本论文通过制备氢化介孔TiO2微球、氮掺杂碳包覆Li4Ti5O12空心微球以及氢化花状TiO2(B)纳米结构,用于改善钛氧化物本征的慢锂离子扩散特性以及低电子导电特性,实验结果表明上述所制备的先进材料具有高容量、高倍率性能以及优异的循环稳定性。主要结果如下:(1)氢化介孔TiO2微球:通过溶胶凝胶结合水热法合成介孔TiO2微球前驱体,将其经低温氢气处理获得氢化介孔TiO2微球。氢化介孔TiO2微球为锐钛矿TiO2晶体结构并且具有明显的介孔结构,初级微晶尺寸为8.2±0.5 nm,比表面积为95.9 m2 g-1。氢化作用改变了材料的载流子密度,将锐钛矿TiO2的本征能带宽度从3.21 eV降低为2.42 eV,进而改变材料的电子导电特性。氢化介孔TiO2微球的电化学性质表明其具有优异的储锂性能,尤其是高倍率储锂性能:在0.5 C时电极的放电比容量为291 mAh g-1,在20 C高倍率时,其放电比容量可达141 mAh g-1,在20 C时100次充放电循环之后的容量滞留率为97.4%,表现出优异的循环稳定性。与介孔TiO2微米球相比较而言,氢化介孔TiO2微米球中引入的氧空位(或者Ti3+)很大程度上提高了 TiO2的电子导电率,进而提高其倍率性能。(2)氮掺杂碳包覆Li4Ti5O12空心微球:以溶胶凝胶产物TiO2前驱体、LiOH为反应物通过低温溶液反应合成Li1.81H0.19TiO5·H2O前驱体,将此前驱体在N2下煅烧合成氮掺杂碳包覆Li4Ti5O12空心微球。其中氮掺杂碳来源于溶胶凝胶过程中十六胺碳化过程。透射电子显微镜观察到前驱体经历了从核-壳结构、蛋黄-壳结构以及空心结构的演变过程。炭层均匀包覆在厚度为5 nm左右的Li4Ti5O12纳米片的表面与侧面,炭层厚度为2 nm左右,碳含量为7.24%。氮元素存在形态为Ti-N、C-N以及Ti-O-N形态。氮元素与碳元素的分布与钛和氧元素的分布具有一致性。电化学性质表明氮掺杂碳包覆Li4Ti5O12空心微球具有提高的倍率性能以及循环稳定性:在低倍率0.5 C下,其可逆放电比容量为181.4 mAh g-1,比Li4Ti5O12的理论比容量(175 mA h g-1)高,即使在2OC的高倍率下,氮掺杂碳Li4Ti5O12空心微球仍然具有140.8 mAh g-1高放电比容量,经100次循环后容量滞留率为92.8%,库伦效率在前几个循环之后一直保持在1 00%左右。氮掺杂Li4Ti5O12空心微球的高倍率性能归因于具有高电子导电率的氮掺杂碳层。而且,无定型炭层中氮元素的引入可以产生碳空位,有利于锂离子的扩散。氮掺杂能够稳定包覆层以及减小表面钛的化学活性,最终有利于材料在高倍率下的应用。(3)氢化花状Ti02(B)纳米结构:通过简单溶剂热法连同低温氢气锻烧获得氢化花状TiO2(B)纳米结构。单个TiO2(B)花球直径大约为124±5 nm,花瓣厚度为10±1.2 nm。氢化还原过程在花状TiO2(B)纳米结构材料中引入氧空位或者Ti3+,使材料中具有更高的OTi3+含量(14.7%)以及OH的含量(4.4%)。氢化花状TiO2(B)纳米结构的电子导电率为2.79 × 10-3 S cm-1,是纯Ti02(B)纳米结构电子导电率的几个数量级。掺杂态密度以及羟基含量的增加能够大大提高TiO2(B)纳米结构的电子导电性以及其与电解液的浸润性。电化学性质表明,氢化花状TiO2(B)纳米结构具有提高的电化学性能:在起始较低的倍率0.5 C下,其可逆放电比容量为292.3 mAh g-1,接近于TiO2(B)材料的理论比容量(335 mAh g-1),10 C时氢化花状TiO2(B)纳米结构电极的放电比容量为179.6 mAh g-1,经200次充放电循环后降低为177.1 mAh g-1,容量滞留率为98.4%。氢化花状TiO2(B)纳米结构电极的优异倍率性能归因于氧空位或者Ti3+引入以及独特的花状纳米结构。