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锂离子电池因其较高的能量密度和良好的循环性能已在智能电网、动力汽车和移动设备等领域得到广泛应用。负极材料是决定锂离子电池性能的重要因素之一,但随着设备对锂离子电池的续航能力和充电时间要求的进一步提高,现阶段的商业化的石墨类碳负极材料已经无法满足需求。钛酸锂(Li4Ti5O12)因其“零应变”的特性具有出色的循环稳定性和对过充、快充的良好耐受性,被认为是适用于高倍率锂离子电池的新型负极材料。但其本征不良的电子电导率和较低的离子传输率限制了其高倍率性能。本文以改善Li4Ti5O12的反应动力学为目的,通过纳米形貌构建、金属骨架复合和异价离子掺杂等手段对其进行改性研究。利用原子层沉积(ALD)辅助的水热法,在泡沫镍基底上构建了含有金属Co核和Li4Ti5O12壳的Co/LTO核壳纳米线阵列。得益于高导电性金属Co和纳米多孔的LTO薄膜,这种独特的核壳阵列设计成功地提高了 LTO的导电性和结构稳定性,改善了 LTO的高倍率性能。该薄膜电极可以在超高倍率100 C下达到143 mAhg-1的比容量,并能够在20 C的大电流密度下循环3000次后保持142 mAhg-1的可逆容量,容量保持率为90%,展现出了优异的电化学性能。采用简单的化学浴过程和后续ALD辅助水热法,在泡沫铜基底上成功制备出具有二次枝丫的松针型Cu-Co/LTO枝杈纳米线阵列。并通过氢化还原的手段在LTO表面引入Ti3+离子进一步提高LTO的导电性。其中金属Co枝杈直径约为20 nm而金属Cu枝干的直径约为300 nm,LTO薄膜则均匀地覆盖在纳米骨架上。相比于单一的纳米线,枝杈型的纳米线可以提供更多活性物质的负载位点和离子、电子的传输通道,有利于提高LTO的高倍率性能,可以在20 C下达到155 mAh g-1的比容量且在3000圈次循环后保持144 mAh g-1。此外,通过与活性炭(AC)和磷酸铁锂(LiFePO4)对电极匹配,进一步探究了该薄膜电极在全电池中的倍率性能。其中Cu-Co/LTO//AC全电池在接近超级电容器功率密度下(7.5 kW kg-1)可以达到远超于超级电容器性能的能量密度(41.6 Wh kg-1),展现出了 LTO在高倍率电池实际应用中的良好前景。