锂离子电池在电动车等领域的应用需要高功率、高安全性的负极材料,然而,常用的石墨材料高功率性能较差,Li₄Ti₅O₁₂高倍率充放电性能和循环稳定性优异,但是其较低的比容量限制了电池的能量密度,新型的层状ReO₃结构铌基氧化物具有良好的倍率性能和更高的比容量,但是也存在导电性和稳定性差等缺点,目前对其研究还较少。本文系统研究了不同铌基氧化物的电化学嵌脱锂特性,纳米晶生长机制及相关特殊形貌的可控制备,并探索期电化学储锂性能与形貌和微结构的关系。研究TiNb₂O₇的晶体结构特征与锂离子嵌脱动力学之间的联系,探索材料内部二维的锂离子扩散通道与锂离子传输的关系;研究表明纯相的TiNb₂O₇负极显示了高的比容量、循环稳定性、高倍率性能以及长循环稳定性。使用第一性原理计算材料在不同SOC下的态密度,拆解不同SOC下的电池极片发现材料的本征导电性随着嵌锂量的增加而提升。综合分析后提出锂离子在纯相材料中的嵌入机制,即靠近集流体的活性物质在电化学反应中首先发生嵌脱反应,影响了远离集流体的活性物质参与电化学反应,进而导致其产生较大的不可逆容量的损失。研究不同的煅烧温度（900℃,1000℃,1100℃和1200℃）对TiNb₂O₇氧化物的结构,形貌和电化学性能的影响,结果表明随煅烧温度的增加,材料的晶体结构不发生变化,但是氧化物颗粒逐渐增大,结晶度逐渐提升。研究不同的煅烧温度对材料电化学性能的影响。发现低倍率（0.1C和1 C）充放电的条件下,TiNb₂O₇-1200显示最高的比容量和循环稳定性。倍率性能测试和长循环测试表明,TiNb₂O₇-1100和TiNb₂O₇-1200展现出优于TiNb₂O₇-900和TiNb₂O₇-1000的电化学性能,5 C和10 C倍率下2000次循环容量保持率均大于90%。使用液相法首次合成一维纳米结构的TiNb₂O₇纳米棒,结果表明材料在生长过程中优先沿着（003）晶面生长,有利于锂离子在内部的快速传输,产生优异的倍率性能和长循环性能。采用溶剂热法首次合成多孔分级结构的Ti₂Nb₁₀O₂₉纳米球,多孔纳米球显现均匀的粒径分布（300-500纳米之间）,并且其一次颗粒呈现出棒状或者类棒状的结构,表现出沿特定晶面优先生长的特性。结果表明其展现了超级的倍率性能和长循环稳定性,主要得益于其多孔分级结构呈现出较高的比表面积,提供了较高的电极/电解液接触面积;同时分级结构使得锂离子嵌脱发生在数十纳米的一次颗粒上,大大降低了锂离子扩散距离。而且,多孔分级结构的Ti₂Nb1₀O₂₉纳米球在充放电时呈现出显著的赝电容效应,在其高倍率容量上发挥了决定性的的作用,也保证其在长循环过程中表现出了超高的容量保持率。研究基于PS微球模板的三维有序大孔结构来合成高度有序的3DOM T-Nb₂O₅和3DOM-TiNb₂O₇氧化物。3DOM T-Nb₂O₅和3DOM-TiNb₂O₇氧化物的三维有序骨架均呈现出纳米级的孔结构,独特的三维有序结构连同骨架上的孔结构有利于产生较高的电极/电解液活性接触面积,有利于电化学嵌脱锂的进行。同时三维分级孔结构有利于电解液的存储和交换,降低浓差极化,提升电化学反应动力学速度,增强电极材料的倍率性能。同时骨架上的纳米孔产生的缺陷结构可以提供额外的锂离子存储位置,提升材料的可逆容量,甚至超过其理论容量值。研究3DOM T-Nb₂O₅和3DOM-TiNb₂O₇氧化物产生的显著的赝电容效应,研究发现赝电容效应在其高倍率容量上发挥了重要的作用;随着充放电速率的增加,赝电容控制的容量所占比例也越来越大,这主要源自于三维分级共联结构带来的高比表面积特性,凸显其在快速充放电性能中的意义。