近年来,超级电容器作为一种具有较高的能量密度和较长循环使用寿命的新型电化学能量转换和储能设备被广泛关注。超级电容器由电解质、隔膜以及两个电极组成。电极材料是超级电容器中最重要的组成部分。一般来说,电极材料的形貌、结构及电化学性能在超级电容器的研究中起着关键作用。尖晶石钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)电极材料因其具有零应变性、良好的可逆性、优异的循环性能、结构稳定性好、高安全性能、价格低廉、环境友好等优点被作为超级电容器电极材料,具有良好的开发应用前景。然而,Li₄Ti₅O₁₂本体的电导率十分低,只有10^-13Scm^-1-,严重的阻碍了它的发展与应用。离子掺杂、电极材料的纳米化、表面修饰是三种提高Li₄Ti₅O₁₂的电导率最有效的方法。本文以提高Li₄Ti₅O₁₂电极材料的导电性,优化Li₄Ti₅O₁₂电极材料的电化学性能为目标,制备了具有纳米管阵列结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂NTA)电极材料,然后通过离子掺杂、石墨烯（RGO）、碳包覆、氮化钛（TiN）表面修饰等手段对Li₄Ti₅O₁₂NTA进行改性,制备了氮化钛-钛酸锂纳米管阵列(TiN-Li₄Ti₅O₁₂NTA)、石墨烯-碳包覆钛酸锂(RGO/C-Li₄Ti₅O₁₂ NTA)、氮化钛-镁掺杂钛酸锂电极材料(TiN-Li_4-xMg_xTi₅O₁₂ NTA)三种电极材料。研究了以上电极材料的形貌、结构及其电化学性能。此外,还研究了三种电极材料在超级电容器中的应用。本论文的研究工作主要包括以下几个方面。（1）TiN-Li₄Ti₅O₁₂NTA电极材料的制备及其电化学性能的研究。TiN-Li₄Ti₅O₁₂NTA电极材料通过锂化、高温煅烧、氮化方式合成。通过阳极氧化的方法在Ti片表面形成Ti02纳米管阵列（TiO2 NTA）。然后TiO2 NTA与LiOH发生锂化反应,经过高温煅烧形成Li₄Ti₅O₁₂NTA。在Li₄Ti₅O₁₂NTA表面上包覆一层Ti02溶胶,在700℃下氮化1 h,形成TiN-Li₄Ti₅O₁₂NTA。扫描结果显示,TiN纳米颗粒包覆在Li₄Ti₅O₁₂NTA的表面,使形成的TiN-Li₄Ti₅O₁₂NTA的表面变得更为粗糙。TiN-Li₄Ti₅O₁₂ NTA与 N-Li₄Ti₅O₁₂NTA 的电导率分别为 39.06 S cm^-1 和 14.01 S cm^-1,表明 TiN-Li₄Ti₅O₁₂ NTA具有较高的电导性。在0.5M的Li2S04电解质溶液中,在-0.4～0.8V的电势窗口下进行电化学性能测试。当电流密度为O.5Ag^-1时,TiN-Li₄Ti₅O₁₂NTA电极材料的比电容为143.83 F g^-1,在3 Ag^-1的电流密度下进行1000次恒电流充放电后,比电容保持率为82.41%。TiN-Li₄Ti₅O₁₂ NTA电极材料提供较大的比表面积,能够有效地提高TiN-Li₄Ti₅O₁₂NTA电极材料的电容性能。基于TiN-Li₄Ti₅O₁₂NTA电极材料和聚乙烯醇-硫酸锂（PVA-Li2SO4）凝胶电解质制备的全固态对称超级电容器,其电压为2.4V。当电流密度为0.5Ag^-1时,TiN-Li₄Ti₅O₁₂ NTA超级电容器的比能量为32.36 Wh kg^-1。体积为10 mm×22 mm×0.5 mm的器件可以点亮工作电压为2V的LED灯,说明TiN-Li₄Ti₅O₁₂ NTA电极材料可以作为超级电容器材料。（2）RGO/C-Li₄Ti₅O₁₂NTA电极材料的制备及其电化学性能的研究本章主要以分散有RGO的PVA为碳源,在600℃碳化3h,合成了 C-Li₄Ti₅O₁₂/RGO NTA电极材料。利用RGO的高导电性来提高Li₄Ti₅O₁₂ NTA的电导性,以提升其电容性能。扫描结果显示,含有石墨烯片的碳层均匀的分布在Li₄Ti₅O₁₂NTA的表面。在0.5 M的Li2SO4中,-0.6～0.6V的电势窗下,电流密度为0.5Ag^-1时,C-Li₄Ti₅O₁₂/RGONTA电极材料的比电容为210.76 F g^-1。在3 A g^-1的电流密度下进行1000个恒电流充放电后,C-Li₄Ti₅O₁₂/RGONTA的比电容保持率为89.99%,说明RGO包覆在的表面Li₄Ti₅O₁₂NTA使它的电化学性能有了明显的提高。RGO/C-Li₄Ti5012 NTA电极材料和PVA-Li2S04凝胶电解质制备成全固态对称超级电容器储能器件,其测试电压为2.4V。电流密度从0.5Ag^-1增加到10Ag^-1,功率密度从0.6 kW kg^-1升高到12 kW kg^-1,能量密度从39.98 Wh kg^-1降低到12.36 Wh kg^-1,体积为10 mm × 20 mm× 0.5 mm的器件可以点亮工作电压为2 V的LED灯,说明RGO/C-Li₄Ti₅O₁₂ NTA电极材料可以作为有效的超级电容器材料。（3）TiN-Li_4-xMg_xTi₅O₁₂NTA电极材料的制备及其电化学性能的研究本章采用以硝酸镁（Mg（NO₃）₂）为镁源对Li₄Ti₅O₁₂ NTA进行Mg2+掺杂,合成了Li_4-xMg_xTi₅O₁₂ NTA,然后将TiO2溶胶包覆在Li_4-xMg_xTi₅O₁₂ NTA表面,在700℃下氮化1h,形成TiN-Li_4-xMg_xTi₅O₁₂NTA。扫描结果显示Mg2+掺杂后,Li₄Ti₅O₁₂NTA的形貌没有发生明显的改变,仍呈纳米管阵列结构。氮化后Li_4-xMg_xTi₅O₁₂NTA表面覆盖了一层细小的颗粒。EDS检测结果显示,TiN-Li_4-xMg_xTi₅O₁₂NTA电极材料的EDS谱图中检测到了 Ti、O、Mg以及N。在0.5 M的Li2S04为电解质溶液中,-0.4～0.8 V的电势窗下,进行电化学恒电流充放电测试。当电流密度为0.5 A g^-1时,TiN-Li_4-xMg_xTi₅O₁₂ NTA电极材料的比电容为224.58 F g^-1。在3 A^-1的电流密度下进行1000次循环充放电后,TiN-Li_4-xMg_xTi₅O₁₂ NTA的电容保持率为89.53%,说明Mg2+掺杂和TiN有效地改善了电极材料的电化学性能。基于TiN-Li_4-xMg_xTi₅O₁₂NTA电极材料和聚乙烯醇-硫酸锂（PVA-Li2SO4）凝胶电解质制备的全固态对称超级电容器,其测试电压窗口为2.4 V。当电流密度为0.5 A g^-1时,TiN-Li_4-xMg_xTi₅O₁₂ NTA 电容器的比能量 42.61 Wh kg^-1。体积为 30 mm× 10 mm×0.5 mm的器件可以点亮工作电压为2 V的LED灯,说明TiN-Li_4-xMg_xTi₅O₁₂NTA电极材料表现出优异的储能性能。