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锂离子电池是20世纪90年代发展起来的能源存储器件，具有电压高、体积小、质量轻、比容量高、无记忆效应、无污染、自放电小、寿命长等优点。随着智能手机、笔记本电脑、电动汽车等的迅速发展，具有高能量高功率密度的锂离子电池显得日益重要。目前所使用的以石墨化碳材料为负极的锂离子电池在大电流充放电时具有安全隐患以及容量衰减的缺点，必须寻找一种可替代的新型负极材料。二氧化钛具有嵌锂电位高、循环性能好、结构稳定、倍率性能好等优点，被视为理想的负极材料。
三维有序大孔介孔氧化钛具有的周期性孔结构易于电解液渗透进电极表面;高比表面积有利于电子在电极/电解液界面迁移;联通的孔结构可减少电子和电解液的传输路径;多孔结构能够复合二次导电相，提高材料的倍率性能。
本论文拟结合硬模板法、软模板法等方法，分别通过粉末抽滤法和挥发法制备具有多级孔结构的三维有序大孔介孔氧化钛材料，系统地研究制备方法、焙烧温度、晶型等对其电化学性能的影响，并对其进行修饰改性。本论文主要取得了以下几个方面的结果:
首先，采用无皂乳液聚合法合成亲水性的聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲脂-甲基丙烯酸丙基磺酸钾微球，并将其作为模板，以提高三维有序大孔介孔氧化钛材料的填充率。本论文合成了180nm、250nm、380nm尺寸的单分散性良好的聚合物微球。
其次，结合硬模板法和软模板法，分别通过粉末抽滤法和挥发法，制备了具有多级孔结构的三维有序大孔介孔氧化钛材料。以合成的氧化钛为负极材料，组装锂离子电池，测试其电化学性能，分析两合成方法对其电化学性能的影响。采用粉末法合成的三维有序大孔介孔氧化钛的首次充放电比容量分别为217mAh/g，在1、2和5C(1C=167mA/g)电流密度下经过200次充放电循环的充放电比容量为125.7、81.8和5mAh/g。然而，采用挥发法合成的氧化钛材料的首次放电比容量为222.6mAh/g，在1、2和5C电流密度下经过200次循环的比容量分别为136.3、120和90mAh/g，其电化学性能均优于粉末法制备的电极材料的电化学性能。
再次，将挥发法合成的三维有序大孔介孔氧化钛，于不同温度下进行焙烧，测试其电化学性能，分析不同温度和晶型对其电化学性能的影响。400、600和800℃焙烧的氧化钛电极材料的首次放电比容量分别为222.6、187.6和134mAh/g，400℃焙烧的电极材料的循环性能和倍率性能均最好，其次是600℃焙烧的电极材料，最次是800℃焙烧的电极材料。此外，随着焙烧的升高，锐钛矿相向金红石相转变，金红石相不利于锂离子的嵌入。
最后，以蔗糖为碳源，采用水热法，在三维有序大孔介孔氧化钛表面进行碳包覆，以提高多孔电极材料的导电性和结构稳定性，从而提高电极材料的循环稳定性能和倍率性能。碳包覆后的氧化钛电极材料的首次放电比容量为220mAh/g，其在1C电流密度下经过150次充放电循环后的充放电比容量为180.3mAh/g，其在2C电流密度下经过200次充放电循环后的充放电比容量为123.3mAh/g。碳包覆后的的三维有序大孔介孔氧化钛的电化学性能优于焙烧前的氧化钛的电化学性能。