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现今，日益严峻的能源和环境危机使得对新型洁净能源的开发显得愈发迫切。锂离子电池作为一种典型的能源存储系统，具有高能量密度、高效率和循环寿命长等优点，被视为最理想的电化学能源转化与存储器件之一。其目前在便携式设备和动力汽车等领域有着广泛应用。负极材料作为锂离子电池的关键部件，对锂离子电池的综合性能起着决定性作用。 在众多负极材料中，氧化钛（TiO2）具有储量丰富、价格低廉、无毒、结构和电化学稳定等优点，被视为一种理想的锂离子电池负极材料。然而，TiO2的嵌锂-脱锂动力学受到电子电导率和离子电导率的限制，影响了其进一步的应用。针对以上问题，本论文重点研究通过电极材料结构的设计来提高TiO2电极材料的电子电导率、离子电导率、结构稳定性和嵌锂活性位点，进而提高电极材料的储锂容量、高倍率性能和循环性能。 基于以上思想，本论文拟设计一系列低维纳米结构构筑的氧化钛微纳分级结构，并深入研究其合成机理与电化学储锂机制，探讨结晶形态、晶型、结构等与电化学储锂性能之间的关系，取得了一系列非常有意义的研究成果。具体研究内容如下： （1）经过水热晶化过程，制备出了TiO2中空微球和TiO2/C中空微球。本论文证明TiO2/C中空微球结构对电化学性能有一定的促进作用：TiO2/C-HS具有良好的分散性、流动性、高比表面积、空隙率以及中空腔体，能够保证TiO2和电解液的充分接触，能加快电荷在电极/电解液界面的扩散迁移，提供更多的嵌锂活性位点，缓解体积变化，从而协同促进TiO2/C-HS的储锂容量和倍率性能。 （2）采用溶剂热过程，一步合成了纳米棒构筑的TiO2中空微球（HNC-TiO2-HMSs）。HNC-TiO2-HMSs微纳分级结构具有中空腔体、直纳米棒、直纳米孔道，可存储大量的电解液，能加速电荷的迁移以及 Li+的嵌入，同时还可缓冲嵌锂-脱锂过程中的体积变化，可作为一种合适的锂离子电池负极材料。HNC-TiO2-HMSs电极材料表现出高的比容量、优异的循环寿命和高的倍率性能：在1 C电流密度下循环100圈后的比容量为216 mAhg-1；在10 C电流密度下循环100圈后的比容量仍然有112 mAhg-1。采用TEM、HRTEM和原位XRD来观察嵌锂过程和晶相转变过程。研究发现，在电化学循环过程中，HNC-TiO2-HMSs电极材料展现出一种“容量自提升”的现象。经过多种研究手段发现HNC-TiO2-HMSs的特殊有序微纳分级结构在电化学过程中形成5 nm大小的Li2Ti2O4结晶相。特殊的分级结构和该晶相的形成可能是导致容量自提升的原因。 （3）采用溶剂热过程，一锅法合成出了纳米片构筑的蛋黄结构 TiO2微球（NYTiO2）。该NYTiO2微纳分级结构外层为二维纳米片多孔（15 nm孔径）壳层，内核为纳米颗粒构成的介孔（3 nm孔径）核，能够提供稳定而多孔的分级网络结构，短的Li+和e-扩散路径，可有效提高其比容量和倍率性能。纳米片构筑的多孔壳层结构有利于 Li+的嵌入，而核壳之间的空腔能存储电解液，加快电荷在电极/电解液界面的迁移，缓解充放电过程中的体积变化，从而使得NYTiO2具有超高比容量、优异的循环性能和良好的倍率性能（>700圈）：在1 C下循环100圈后的比容量为225 mAhg-1；在10 C下循环100圈时，容量依然高达113 mAhg-1。此外，我们对循环后的NYTiO2电极材料进行SEM、TEM、STEM-EELS表征，同样发现了 Li2Ti2O4结晶纳米颗粒的存在，表明 NYTiO2电极材料充放电过程中也发生了局部相转变。研究认为 NYTiO2特殊的蛋黄结构和 Li2Ti2O4的形成协同地促进了 NYTiO2微纳分级结构的高容量、良好的倍率性能和优异的循环性能。 （4）低温下采用软模板法，在酸性和潮湿条件下，制备出了纳米线表层包覆有一层无定形TiO2的锐钛矿/金红石束状微纳分级花状结构（HM-TiO2-NB）。该HM-TiO2-NB超结构展现出高的可逆容量、优异的循环性能和良好的倍率性能。当电流密度为1 C时，HM-TiO2-NB比容量为189 mAhg-1，循环100圈后容量仍然有174 mAhg-1；当电流密度增大为50 C，循环50圈后HM-TiO2-NB的比容量依然高达96 mAhg-1。采用半原位TEM、HRTEM、XRD、Raman和XPS技术观察 HM-TiO2-NB嵌锂-脱锂过程，发现在纳米线表面有大量的Li2Ti2O4结晶颗粒生成。特别是该 HM-TiO2-NB负极材料展现出一种“容量自提升”现象，这可能是因为无定形 TiO2发生晶化以及在 TiO2纳米线表面形成Li2Ti2O4结晶颗粒。该 HM-TiO2-NB超结构中无定形和结晶相的杂化结构以及TiO2束状分级纳米线结构的协同作用导致了其优异的电化学性能。 （5）在溶剂热反应过程中，通过氧化石墨烯辅助合成了纳米片构筑的TiO2/石墨烯（NCTiO2/G）微纳分级结构。该NCTiO2/G微纳分级结构一方面既有利于电解液的渗透，又具有超高的比表面积来提供更多的嵌锂活性位点。另一方面，该NCTiO2/G中的孔道结构可加快电荷在电极/电解液界面的扩散，而且 NCTiO2/G中的石墨烯片层可提高其导电性，加快电荷的迁移。此外，TiO2纳米片结构非常适合于 Li+的嵌入-脱出，从而使得 NCTiO2/G分级结构具有超高的比容量和倍率性能以及超长的循环寿命：对同一电池在1 C电流密度下，NCTiO2/G的储锂容量为250 mAhg-1；随后其在2 C下循环500圈后的比容量依然为208 mAhg-1；在5 C下循环1000圈后的比容量仍然高达176.3 mAhg-1；特别是在10 C下循环800圈后的比容量依然达140mAhg-1。此外，我们也通过SEM、TEM等测试手段，验证了NCTiO2/G分级结构在电化学过程中的局部相转变，进一步证明了本系列工作发现的晶相转变具有普适性的特点，并对NCTiO2/G分级结构的嵌锂机制进行了深入研究。