锂离子电池具有能量密度大，循环寿命长，工作电压较高等优点，得到了许多关注。传统锂离子电池使用的负极材料为石墨类负极材料。这种材料的有许多优点，比如导电性较高，循环稳定性较好且价格低廉。然而，石墨类负极材料的缺点，如理论容量低，库伦效率和倍率性能都较差且存在安全隐患也非常明显。因此，发现具有更高理论容量和电流及能量密度的新型负极材料来取代石墨类负极材料对于发展下一代锂离子电池是亟待解决的难题。由于二氧化钛(TiO2)的工作电压低，循环稳定性和安全性较好且储量丰富价格低廉，其在锂离子电池负极材料领域的应用具有非常好的前景。然而，二氧化钛的导电率较低，这个缺点限制了它作为锂离子电池负极材料的应用。目前主要通过两个方法解决这个问题，一是通过调控尺寸，晶面，晶型，纳米结构，掺杂等TiO2自身各项物理化学性质来提高其电化学性能;二是将TiO2与导电性好的碳基材料复合来提高其电子电导率，最终提高电化学性能。　　本论文首先以一维碳纳米管为模板，通过仿生钛化层层自组装的方法合成出二氧化钛-碳同轴纳米管，再通过静电吸附将二氧化钛-碳同轴纳米管吸附到二维氧化石墨烯纳米片上，通过煅烧得到CNTs-TiO2-RGO多级结构纳米复合材料，并研究其作为锂离子电池负极材料的电化学性能，在4 A/g的电流密度下，该材料具有150 mAh/g的可逆比容量，在2A/g的电流密度下循环1000圈，该材料仍然保持有140 mAh/g的可逆比容量，明显优于单纯CNTs-TiO2纳米复合材料。这种优异的电化学性能是由于石墨烯，碳纳米管复合的多级结构可以使锂离子更加有效的嵌入与脱出，同时提高电子的转移速率，因此提高材料的电池性能。　　其次，以三维碳纳米管海绵为基底，通过原子层沉积(ALD)方法负载不同厚度(5nm，10nm)的无定型二氧化钛，进一步在氢氩气氛中煅烧得到产物碳纳米管海绵-二氧化钛。将所得材料应用于锂离子电池负极材料，通过对纯碳纳米管海绵，碳纳米管海绵-二氧化钛(5 nm)和碳纳米管海绵-二氧化钛(10nm)三种样品的电化学性能测试发现CNTs海绵-二氧化钛（5nm）具有较好的电化学性能。在电流密度为2 A/g时，CNTs海绵-二氧化钛(5nm)的可逆比容量依然保持在200 mAh/g，这种优异的电化学性能可能来源于CNTs海绵-二氧化钛独特的同轴电缆结构导致的界面储锂效应，从而提高了材料倍率性能和循环性能。