研究工作主要集中在高倍率锂离子电池负极材料上。在“分级三维混合导电网络”思想的指导下，设计了高倍率锂离子电池负极材料，成功制备出几种具有这种结构特征的、性能优异的负极材料，如：TiO2-C多孔球、TiO2-CNT同轴纳米电缆、TiO2-Cu纳米复合体和Si-Cu纳米电缆，大幅提高了电极材料的倍率性能、容量和循环性能。本论文的主要内容包括如下四部分：　　 (一)TiO2-C多孔球复合负极材料的制备与性能研究　　 采用溶液自组装的方法，制备了具有三维纳米混合导电网络结构的介孔TiO2-C纳微球负极材料。首先，利用乙二醇介导的方法制备出介孔的TiO2纳米球；然后在水热条件下，利用葡萄糖的热解，在介孔的TiO2纳米球上包覆上碳层。电化学测试结果表明，介孔TiO2-C纳微球具有优异的高倍率性能。以该介孔TiO2-C纳微球为负极材料，以有着相同三维混合导电网络结构的纳米LiFePO4-C为正极材料，成功构筑了具有优异高倍率性能的1.5V可充电锂离子全电池。这种新型的1.5V二次电池有望在不改变外电路的情况下，取代现阶段大量使用的1.5V碱性原电池和干电池。　　 (二)TiO2-CNT同轴纳米电缆结构复合负极材料的制备与性能研究　　 通过溶液相控制水解的方法，制备了TiO2-CNT纳米电缆材料，只需控制水解的反应速率，在同一液相内一步即可完成，具有操作方便、经济、能耗低和便于实现规模化生产的优点。在该复合结构中，发现了新奇的“协同储锂效应”，通过碳纳米管核和TiO2外鞘两者之间的协同作用，可以实现锂的快速存储，无论是碳纳米管核还是TiO2外鞘的比容量都比纯的碳纳米管或者TiO2的比容量高很多。根本原因在于同轴纳米电缆结构提供了一个解决锂离子电池电极中离子-电子传输问题的解决方案。一方面，碳纳米管核为Li在TiO2鞘壳中的存储提供了电子通道；另一方面，由于在碳纳米管上包覆的介孔TiO2层具有相对稳定的表/界面可以减少SEI膜的生成，从而为Li在碳纳米管中的存储提供了快速离子传输通道，碳纳米管本身的循环性能也因此而大大提高。该“协同储锂效应”为开发高容量、高倍率、稳定的电极材料提高了新思路。　　 (三)TiO2-Cu纳米复合负极材料的制备与性能研究　　 通过简单的湿化学合成方法，将锐钛矿TiO2包覆到含Cu纳米线上，成功制备出TiO2-Cu一维纳米复合材料，通过热处理进而可以得到含有纳米Cu集流体的“三维导电网络”结构电极材料。在不同退火气氛下得到的TiO2-Cu中TiO2粒径不同，含有极小粒径TiO2的Cu-TiO2的高倍率性能更为优异(在很高电流密度7500mAg-1时，依然可以保持在初始的低电流密度50mAg-1时容量的58％)，在储锂方面表现出显著的尺寸效应。此外，纳米Cu集流体不但起到机械支撑作用，还可提供快速、有效的电子传输通道，从而大大提高该复合材料的倍率性能和循环稳定性。利用该纳微复合材料制备的储能器件，模糊了电池和电容器之间的界限，兼具高能量密度和高功率密度。　　 (四)Si-Cu纳米电缆结构复合负极材料的制备与性能研究。　　 成功实现了直接在集流体上生长Si纳米电缆用于解决Si的电化学储锂问题的构想，制备了Si-Cu和Al2O3-Si-Cu纳米电缆结构。在该纳米电缆中，导电的铜线内核由集流体铜箔直接热氧化生长得到，形成了三维的纳米集流体，有效的增强了电极材料的电子传导性。稳定的Cu线内核也发挥了结构支撑的作用，克服了硅在充放电过程中，巨大的体积变化可能导致的材料粉化等一系列问题。Si-Cu和Al2O3-Si-Cu纳米电缆作为锂离子电池负极材料时，都表现出较好的循环稳定性和较高的储锂容量。包覆了惰性氧化铝薄层的Al2O3-Si-Cu纳米电缆的电化学性能尤其突出。该Al2O3包覆层具有相对稳定的表/界面，可以减少SEI膜的生成，为Li在硅中的存储提供了快速离子传输通道，从而提高了硅的高倍率性能和循环稳定性。