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以LiFePO4为正极材料的锂离子电池（以下简称LiFePO4电池）具有价格便宜，环境友好，比容量高，循环寿命长和热稳定好等优势，在动力、储能和通讯领域具有广泛的应用空间。但是由于自身晶体结构导致LiFePO4本征电子电导率和锂离子扩散系数很低，严重影响了其电化学性能的发挥和实际应用。本课题以LiFePO4电池为研究对象，首先在宏观上考察载流子（电子、锂离子）在电池内部的迁移过程，然后在微观上分析载流子在材料内部的迁移机制，从而建立锂离子电池载流子迁移模型，最后基于模型预测结果指导LiFePO4正极材料的改性研究，提高LiFePO4电池的电化学性能。 本论文从锂离子电池的结构出发，以LiFePO4电池为研究对象，根据电池内部各部位电势变化，建立电池电势方程，并通过Butler-Volmer方程和能斯特扩散层模型求解方程。结果表明:在恒温恒压、恒电流充放电条件下，电池电势与电极表面载流子浓度相关，也就是说LiFePO4电池的电化学性能与LiFePO4电极表面的载流子的聚集状态相关。进一步结合LiFePO4晶体内部载流子迁移机制和LiFePO4晶体表面电化学反应过程，建立LiFePO4晶体表面电化学反应速度方程。根据电化学反应速度方程研究结果表明:优化导电特性，缩短晶粒尺寸，增大(010)晶面以及修饰晶体结构都可以提高LiFePO4电池载流子迁移能力，提高LiFePO4材料的电化学性能。 基于锂离子电池载流子迁移模型的研究结果，本论文分别设计了三元碳源包覆、晶体定向生长、晶体结构修饰三种方法来对LiFePO4材料进行改性。主要研究内容和研究结果如下: (1)三元碳源包覆:依据不同碳源具有不同热解特性、碳化程度、分散形式、残碳结构和还原活性等特点，设计了一种三元碳源包覆LiFePO4正极材料的改性方法。其优势在于石墨烯纳米片可以构筑三维连续导电网络，酚醛树脂在LiFePO4颗粒表面形成均匀碳膜，水溶性淀粉可以稳定浆料体系和抑制晶粒长大，从而充分发挥不同碳源的包覆特性，综合优化LiFePO4材料的电化学性能。实验结果表明:相比于二元碳源包覆，三元碳源包覆的LiFePO4材料具有更小的晶粒尺寸，更均匀的颗粒包覆以及更好的导电网络结构，因而具有更优异的电化学性能，特别是在10C倍率充放电条件下，其比容量可达121 mAh g-1。 (2)晶体定向生长:在LiFePO4晶体中，电子和锂离子沿着[010]方向的电导率和扩散系数最高，因此，缩短[010]方向的晶粒尺寸可以有效的缩短载流子的脱嵌路径，缩短载流子的迁移时间，从而提高LiFePO4材料的倍率性能。另外，根据LiFePO4电极的电化学反应速率方程可知，增大(010)晶面面积可以提高电极的电化学反应速度，从而提高LiFePO4材料的倍率性能。基于上述分析，本论文设计了水-溶剂热的方法成功的制备了具有(010)晶面方向优势生长的纳米片结构LiFePO4/C材料。实验结果表明:相比于纳米粒子结构的LiFePO4/C材料，纳米片结构的LiFePO4/C材料具有更优异的锂离子扩散能力，表现出更优异的倍率性能。在10C、20C充放电条件下，纳米片结构的LiFePO4/C材料分别具有113.4、84.8 mAh g-1质量比容量，相比于纳米粒子分别提高了40％，130％。 (3)晶体结构修饰:碳包覆和纳米化只能提高LiFePO4材料的表观电子电导率和锂离子扩散系数，而晶格修饰可以改变LiFePO4的晶体结构，提高LiFePO4材料本征电子电导率和锂离子扩散系数，从而提高LiFePO4材料的电化学性能。本论文提出通过Mn取代Fe来对LiFePO4材料进行改性。首先通过理论预测和实验验证来探索Mn的最佳取代量，确定了当Mn的取代量为0.25时，LiFe0.75Mn0.25PO4材料具有最佳的电子导电和锂离子扩散特性，但是实验表明纯的LiFe0.75Mn0.25PO4材料的电化学性能较差，必须经过进一步的改性才能达到实际可应用的水平。基于LiFe0.75Mn0.25PO4材料与LiFePO4材料具有相似的晶体结构和载流子迁移特性，本论文分别采用了三元碳源包覆和晶体定向生长的方法对LiFe0.75Mn0.25PO4材料进行改性。实验结果表明:相比于纯的LiFe0.75Mn0.25PO4材料，改性后的LiFe0.75Mn0.25PO4/C材料具有更高的比容量、优异的倍率性能和循环性能。特别是通过晶体定向生长合成的LiFe0.75Mn0.25PO4/C纳米片比LiFePO4/C纳米片具有更高的倍率性能。而且LiFe0.75Mn0.25PO4材料工作电压和比容量的提升使得其比能量高达512 Wh/kg，相对于LiFePO4/C纳米片提升20％。