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钛基氧化物(TiO2、Li4Ti5O12)因比容量较高、安全性能好、循环性能稳定、可快速充放电、廉价易得、环境友好,被视为最有发展前景的锂离子电池负极材料。但由于电子、离子电导率低,纳米颗粒易团聚等因素严重限制了其实际应用。本文通过与碳纳米管(CNTs)复合,构筑了具有互穿结构和电缆结构的TiO2/CNT、Li4Ti5O12/CNT纳米复合材料,改善了钛基氧化物电子、离子电导率低,纳米颗粒易团聚等现象,从而提高了钛基氧化物(TiO2、Li4Ti5O12)的电化学性能,并运用多种分析测试手段对复合材料的形貌与结构进行表征,详细研究了复合材料的电化学性能,探讨了复合材料的两相在电化学反应过程中的协同作用机制及其结构与电化学性能之间的关系,为新型锂离子电池负极材料的研究、开发与应用提供了理论基础。具体研究内容如下:1.以TiCl3为钛源,采用水热法和后续的热处理,制备了混相(锐钛矿/金红石)TiO2@CNT多孔纳米复合材料。此电极材料在100 mA/g电流密度下循环200圈后容量可达363.6 mAh/g;在2000 mA/g电流密度下循环2000圈后容量仍保持在153.3 mAh/g。此外,该材料在500 mA/g电流密度下,高温(55℃)和低温(0℃)循环300圈后容量分别保持在443和84.5 mAh/g。结果表明:复合材料中存在的少量金红石TiO2可以提高电荷的分散速率,有利于锂离子、电子的快速传输,从而使复合材料具有高的电容量、优异的高低温循环性能、良好的倍率性能和循环稳定性。2.以钛酸丁酯为钛源,采用浸渍饱和吸附、溶胶凝胶及热处理方法,构建了具有互穿结构的CNT@TiO2多孔纳米复合材料。电化学研究表明:该复合材料在100 mA/g电流密度下循环200圈后容量可达523.4 mAh/g;即使在2000 mA/g电流密度下循环2000圈后容量仍高达189.9 mAh/g。此外,在500 mA/g电流密度下,高温(55℃)和低温(0℃)循环400圈后容量分别可保持在607.8、188.5mAh/g。其电化学性能远远优于水热法制备的混相(锐钛矿/金红石)TiO2@CNT多孔纳米复合材料。这可能是由于该类复合材料具有特殊的互穿和多孔结构,不仅能够缩短锂离子和电子的传输距离,使锂离子和电子与电极材料接触充分,提供更多的锂存储位点,而且也为电解质与电极材料提供了更大的接触面积,能够进行快速的充放电;此外,复合材料中两相兼容性好,结构稳定,并具有良好的机械强度和柔韧性,能够缓解电极材料在长时间充放电过程中的应力,从而使该类材料在宽的电化学窗口内具有高的电容量、良好的倍率性能和循环稳定性,是一类非常有应用前景的锂离子电池负极材料。3.以钛酸丁酯为钛源,氢氧化锂为锂源,通过浸渍饱和吸附,溶胶凝胶、低温回流及热处理,制备了CNT@Li4Ti5O12多孔纳米复合电缆。此复合材料因具有高的导电性、大的比表面积、特殊的电缆结构及丰富的孔结构,展现出高的比容量、良好的循环稳定性和倍率性能。在200 mA/g的电流密度下循环200圈后容量可达322.5 mAh/g,在2000 mA/g的电流密度下循环2000圈后容量仍高达198.7 mAh/g。