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近年来，系列固溶体材料xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2由于比容量高、热稳定性好、成本低以及对环境相对友好等优点，引起了人们的广泛关注和研究。本文选择系列材料之一的Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2(x=0.5)作为研究内容。以改善及提高其电化学性能为目标，对材料的合成方法与条件、表面包覆处理技术、不同电解液体系中的电化学性能及其反应过程，材料结构与性能的关系等开展了深入、系统的研究。
分别采用共沉淀法、溶胶-凝胶法和蔗糖燃烧法来合成富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2，采用XRD、SEM、BET和充放电测试考察不同合成方法对材料的结构、形貌及电化学性能的影响。测试结果表明，燃烧法合成的样品材料比表面积最大，达到7.4635 m2/g；颗粒粒径最小，大约只有0.1μm；锂离子Li+的扩散路径较短，在首次充电过程中有利于材料中Li2MnO3组分的活化，因此具有较好的倍率性能，在5.0 C电流倍率时，材料放电比容量高达178 mAh/g，然而，其循环性能与溶胶-凝胶法和共沉淀法合成的材料相比相对较差。根据循环过程中dQ/dV微分容量曲线和EIS阻抗谱的变化情况推断，燃烧法合成的材料循环性能较差的主要原因是：所合成的材料比表面积较大，导致材料与电解液之间发生较多的副反应，在电极表面形成较多的副反应产物(SEI层)，破坏了电极/电解液界面的稳定性，SEI层阻抗和电化学传荷阻抗在循环过程中发生较快的增长，影响了锂离子的可逆嵌/脱过程，因此燃烧法合成的材料在0.1 C和0.5 C电流倍率时的循环性能都相对较差。
为了改善富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2的电化学性能，对材料进行AlF3表面包覆处理。与原始材料相比，经过AlF3表面包覆之后的材料具有较优越的电化学性能。包覆后的材料首次放电比容量为267 mAh/g，高于原始材料的249 mAh/g；首次不可逆容量损失为47 mAh/g，低于原始材料的75.5 mAh/g；经过AlF3表面包覆，材料的倍率性能(室温)和循环性能(在室温和50℃测试条件下)均得到明显的改善。在室温下，经AlF3包覆的材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2以0.5 C电流倍率进行充放电循环80圈之后的容量保持率为87.9％，远高于原始材料的67.8％；DSC的分析结果表明，经过AlF3包覆后，材料的热稳定性也得到了明显提高。采用电化学阻抗谱(EIS)技术和原位微分电化学质谱(DEMS)技术对AlF3包覆后材料电化学性能改善的机理进行研究，结果表明，AlF3包覆层起到缓冲层的作用，在首次充电到高电位过程中，材料脱出的活性氧物种(氧原子或O-等)在经过AlF3包覆层时活性大大降低，减少了对电解液的氧化，因此检测到的O2信号较强，CO2的信号较弱；此外，AlF3包覆层减少电极材料与电解液之间的直接接触，抑制副反应的发生，维持了电解液组分的稳定性，有效地提高电极/电解液界面稳定性，循环过程中，电化学传荷阻抗等保持较为稳定，因此AlF3表面包覆起到了明显改善材料电化学性能的效果。
从材料商业化的角度考虑，选择较为低廉的合成原材料，对材料制备过程中的重要参数如煅烧时间、煅烧温度、锂源和球磨分散介质等进行优化。优化结果表明，900℃煅烧15 h合成的材料具有较好的层状结构和较优越的综合电化学性能；颗粒粒径为0.2～0.3μm，颗粒分布较为均匀；在1.0 C倍率充放电时，首次放电比容量高达182 mAh/g，充放电效率为68.2％，80圈循环后的放电比容量为177 mAh/g，具有较高的容量保持率(97.2％)；然而，从80到150圈放电比容量发生较快的衰减。采用非现场XRD技术和电化学阻抗谱(EIS)技术对其容量衰减的原因进行研究，结果表明，经过数圈循环活化之后，材料结构趋于稳定，不是造成其循环性能快速衰减的主要原因；主要原因是：在充电到高电位过程中，电极与电解液发生较多的副反应，其不断积累导致电极/电解液界面恶化，影响电极材料颗粒间、材料与碳之间以及碳与碳之间的接触，导致SEI层阻抗和传荷阻抗增加，当积累到一定程度时，引起材料比容量迅速衰减。
通过引入离子液体电解液有望提高Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2为正极材料的电池的安全性能。然而，使用纯离子液体(Py14TFSI)电解液时，材料倍率性能较差。因此采用将离子液体与有机溶剂(EC/DMC)配成混合电解液，来改善电池Li/Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2的倍率性能。采用TGA、SET、DSC和充放电测试来考察混合电解液的安全性能和电化学性能。测试结果表明，随着离子液体含量的增加，混合电解液的着火性得到减弱，电解液的热稳定性不断提高，电极材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]02在充电态(4.6 V)时与混合电解液间的热稳定性也得到明显改善。材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2在混合电解液中具有较好的电化学性能，在0.1 C时，材料首次放电比容量达250 mAh/g，随着离子液体含量增加，材料不可逆容量损失减少，库仑效率提高；在含40-60％离子液体的混合电解液中，材料具有较好的倍率性能，在1.0 C时的放电比容量仍较高，与在纯有机电解液中的相当；使用混合电解液时，材料在0.1 C和1.0 C电流倍率时的循环性能均较好，其中，在含60％离子液体的混合电解液中，材料以1.0 C循环150圈之后的容量保持率高达84.4％。基于以上结果，为了获得较好的电化学性能和热稳定性能，混合电解液中离子液体的含量应以40-60％为宜。此外，负极材料在混合电解液(40％IL)中的测试结果表明，与碳材料相比，Li4Ti5O12更有希望在混合电解液中作为负极材料使用，以进一步提高电池的安全性能。