锂离子电池(LIB)作为重要的能源储存设备,具有功率密度高,环境友好和能量密度高等众多优点,近年来受到了广泛研究。迄今为止,已经进行了大量的研究工作开发下一代非碳负极材料,用来代替常规的碳质材料。TiO2由于其安全性高、无毒,合成简单,成本低以及结构稳定等,引起了广泛关注并进行了大量研究。然而,TiO2固有的低电导率,反应动力学缓慢和相对较低的理论容量限制了其实际应用。基于以上因素,本文通过对TiO2进行纳米结构设计,复合导电碳材料,以及合成中空介孔微纳结构来其改善电化学性能。本文的主要研究内容如下:(1)通过钛酸异丙酯与十六胺的水解聚合和水热晶化去除十六胺,成功制备了 TiO2纳米晶组装的介孔纳米球(TiO2 NMNs)。实现了 TiO2颗粒的纳米化,同时将其组装成亚微米级球体,有效避免了 TiO2纳米晶在合成和电化学测试过程中出现聚集的可能,增强了结构的稳定性。通过十六胺的溶解,获得丰富均匀的介孔,得到大的比表面积153 m2 g-1。作为锂离子电池的负极材料,TiO2 NMNs具有增强的Li储存能力,包括较高的比容量和出色的循环性能。在第100次循环时,放电容量为194.1 mAh g-1,库仑效率为99.8%,相对于首次放电,容量保持率为75%。在100个循环中的平均放电容量为219.2 mAh g-1。这主要归因于TiO2纳米晶的小尺寸和介孔纳米球的大比表面积。纳米尺寸和介孔结构极大提高了 TiO2的反应动力学,增强了Li在TiO2材料整体内的插层能力,从而显著提高了 TiO2的实际可逆容量。(2)通过在碳纳米管(CNT)上包覆偏钛酸和PPy,水热法晶化偏钛酸,并溶解去除十六胺,获得了包覆于CNT表面的TiO2纳米晶,且晶粒间存在大量孔隙,随后再紧密包覆一层PPy后碳化,成功制备了三层纳米电缆结构CNT@TiO2@C。TEM可以清晰的分辨出三层结构,且具有大量介孔。BET 比表面积经计算为611.6 m2 g-1,平均孔径8.95 nm。作为锂离子电池的负极材料,CNT@TiO2@C表现出优异的锂存储性能,具有高的比容量,良好的循环稳定性和倍率性能。在第500个循环,它仍可提供236mAh g-1的放电容量,相对于第二个循环,其放电容量保持率高达64.3%,平均每循环容量衰减率低至0.07%。优异的循环性能归因于内部CNT的支撑作用和外部C壳的保护作用。在10C下,放电容量稳定在187 mAhg-1,出色的高倍率性能是由于内部CNT和外部C壳形成的双导电路径极大提高了 TiO2的电子电导率。通过针对CV曲线的动力学计算得出电容性贡献的容量占总容量的70.39%,这是由于介孔TiO2的大比表面积增强了 TiO2的锂赝电容(界面)储存,导致TiO2的可逆容量大大增加,高电容性贡献率很好地解释了 CNT@TiO2@C的实际容量远高于理论容量,证明了该复合材料结构的优异性。(3)通过化学浴沉积结合刻蚀、煅烧的方法,合成出具有纳米管中管结构(NTT)的CNT@TiO2@CNT。TEM可以清晰地看出中空管中管结构,外层碳管紧密包覆TiO2纳米管,独特的一维中空TiO2纳米管结构赋予TiO2更高的比表面积和非常短的Li+传输路径。作为锂离子电池的负极材料,NTT CNT@TiO2@CNT具有优异的储锂性能,包括超高的倍率性能,高比容量和良好的循环稳定性。NTTs在10C时的初始放电容量为296 mAhg-1,并在高达3000个循环中保持在180.3 mAh g-1,显示出优异的容量保持率,高达60.8%,平均每个循环的容量衰减率非常低,仅为0.013%。在200 C和300 C下,放电容量稳定在88和55 mAh g-1,当电流再次回到1 C时,放电容量仍可恢复到371 mAh g-1,恢复到初始1 C的90%。优异的循环性能和倍率性能得益于内部和外部纳米管之间的夹层间隙可以允许电解质渗透和快速传质;纳米管结构增加了 TiO2的比表面积,提供了大量的活性位点,并缩短了 Li+扩散路径,提高TiO2的电化学反应动力学;外部碳纳米管在充放电过程中很好地承受了 TiO2的膨胀,从而极大增强了 TiO2纳米管的结构稳定性,外部碳纳米管和TiO2纳米管之间的紧密接触极大地促进了电荷转移,并显著提高了 TiO2的电子传导性。通过动力学计算得出电容性贡献的容量占总容量的78.5%,表明对于NTTs的锂离子存储,界面电容效应是一个主要过程,这解释了 NTTs的超高倍率性能和高的比容量。