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锂离子电池因质量比容量大、平均开路电压高和循环寿命长等优点已广泛应用于移动、便携式电器。进一步提高电池性能和降低成本是锂离子电池发展的重点。尖晶石LiMn2O4材料具有廉价、无毒、电化学容量较大等优点，被认为是取代昂贵、有毒性的钴酸锂锂离子电池正极材料最佳候选材料之一。目前，充放电循环性能差是锰酸锂材料存在的主要问题。材料的成分和结构决定了材料的性质，锰酸锂正极材料晶体结构的稳定性直接影响了其充放电循环寿命。因此，锰酸锂正极材料的晶体结构对其充放电循环性能的影响成为本文的研究重点。
晶体结构的完整性由结晶程度(结构缺陷)和类质同象替代程度决定。结晶程度反映了重要的结构信息。本文对不同降温速率(1℃/h、20℃/h和800-20℃空气淬火)制备的一系列LiMn2O4尖晶石正极材料进行了结晶程度及其电化学性能研究。文中结晶程度定义为：理论密度与实测密度之差；差值越大，结晶程度越低。所研材料的结晶程度随降温速率增大而降低。结晶程度低(0.033)的材料首次充放电效率高，在充放电循环过程中充放电效率的稳定性好；它们具有相对高的放电比容量(0.2C下128.92mAh/g，1.0C下86.36mAh/g)和优异的充放电循环性能。经1℃/h、20℃/h和800-20℃空气淬火三种不同降温速率得到的样品在1.0C条件下20次循环放电容量保持率分别为86.4％、91.3％和100.4％。
在当今结晶材料合成领域类质同象替代已成为重要技术手段用以改善材料的性质。所谓掺杂改性往往就是以类质同像方式引入缺陷来优化材料的性能。遗憾的是目前的研究工作大多集中在材料掺杂本身，并未对掺杂尖晶石锰酸锂材料的晶体结构做深入的研究。本文在综和分析国内外关于掺杂锰酸锂材料的晶体结构及充放电循环性能基础上，研究了Li、Mg及Ti掺杂对尖晶石锰酸锂材料的晶体结构及充放电循环性能的影响。
以燃烧法按不同Li/Mn制备了一系列LiMn2O4尖晶石正极材料，并对其晶体结构及电化学性能进行了研究。本文根据样品的化学成分、晶胞参数、理论密度及真密度讨论了尖晶石锰酸锂材料的晶体化学式模型，确定了不同Li/Mn材料的晶体化学式；发现随着Li/Mn增加，材料晶体结构中的金属离子缺陷及氧缺陷增加。不同倍率充放电循环测试结果表明：晶体结构缺陷少的材料在低倍率放电时表现出较高的容量和较差的循环性能;Li掺杂形成的适量晶体结构缺陷的材料在大电流放电时表现出较高的容量和优异的循环性能。
按不同配比制备了Mg掺杂尖晶石锰酸锂正极材料，Mg掺杂后样品的结晶程度降低。晶体结构分析表明：当Mg掺杂样品按配方式Li1-xMgxMn2O4 x=0.05制备时，Mg倾向于占据四面体8a位置，当Mg掺杂量增加时，则占据八面体16d位的倾向增加。电化学性能测试结果表明：Mg掺杂后样品在低倍率放电下比容量有所降低，高倍率放电下比容量大大增加；不同放电倍率下材料的充放电循环性能均大幅度提高;Mg掺杂尖晶石锰酸锂材料具有良好的大电流放电性能，放电倍率越大，材料的充放电循环性能越好，材料的晶体结构越稳定。其中按配比n(Li)∶n(Mg)∶n(Mn)=0.95∶0.05∶2制备的样品表现出最优异的容量及循环性能。0.2C放电下样品的初始比容量为121.31 mAh/g，50次循环容量保持率为89.26％；1.0C放电下初始比容量为105.26 mAh/g，50次循环容量保持率为96.33％。
按不同配比制备了Ti掺杂尖晶石锰酸锂正极材料。晶体结构分析表明：Ti掺杂后样品仍能保持单一尖晶石相，但结晶程度降低。电化学性能测试结果表明：Ti掺杂后样品在低倍率放电下比容量有所降低，高倍率放电下比容量大大增加；不同放电倍率下材料的充放电循环性能均大幅度提高；按配比n(Li)∶n(Mn)∶n(Ti)=1∶1.95∶0.05制备的样品表现出最优异的比容量及循环性能。0.2C放电下样品的初始比容量为121.24 mAh/g，50次循环容量保持率为92.55％；1.0C放电下初始比容量为109.84 mAh/g，50次循环容量保持率为91.50％。
目前研究表明LiMn2O4中锰在电解液中的溶解是导致其容量衰减的又一主要原因。本研究设想在尖晶石锰酸锂材料的表层浮生一层或者几层原子尺寸厚度尖晶石结构的γ-Al2O3，以期在削减包覆层厚度，避免较大幅度降低比容量的同时，能进一步提高材料的充放电循环性能。对经680℃温度下保温2h工艺条件下不同Al量表面处理获得的材料电化学性能研究表明，当Al用量为按在LiMn2O4表面生长一层γ-Al2O3结构层(按LiMn2O4{111}面网计算)所需Al量的一半时，所得的材料具有最优异的电化学性能：在0.2C放电倍率下，比容量为116.22 mAh/g，50次循环容量保持率为93.76％；在1.0C放电倍率下，比容量111.53 mAh/g，50次循环容量保持率为92.17％。