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锂离子电池的主要研究方向是降低电极材料的成本和提高电池性能。当今大规模商业化使用的正极材料钴酸锂(IAC002),由于钴资源缺乏、价格昂贵及毒性较高等问题,研发者一直致力于寻找其替代材料。尖晶石LiMn2O4和LiNi1／3Co1／3Mn1／3O2具有安全性好、电压高、价格低廉及低污染等优点,符合锂离子电池的高性能、低成本和环境友好的发展趋势,是一类非常有应用前景的锂离子电池正极材料。本论文主要通过改进合成方法和元素掺杂的技术途径来提高LiMn2O4和LiNi1／3Co1／3Mn1／3O2正极材料的电化学性能。
首先,采用高温分段固相反应法合成了一系列阳离子掺杂尖晶石Li1.05MxMn1.95-xO4(M=Cr、Al、Fe、Zn、Mg),并对其高温性能进行了详细的研究。结果表明:金属离子掺杂明显地改善了尖晶石锰酸锂的高温循环性能,但材料的放电比容量有所降低；掺杂材料的比容量一方面取决于掺杂金属离子的化合价,另一方面取决于其所处的晶格位置；材料的化学稳定性是造成高温容量衰减的主要因为。
其次,采用高温分段固相法合成了一系列阴阳离子掺杂尖晶石Li1.02MgxMn1.98-xO4(x=0.03,0.05,0.07,0.09)和Li1.02MgyMn1.98-yO4-yFy(y=0.03,0.05,0.07,0.09)锂离子电池正极材料,并用XRD、SEM、CV、EIS和充放电测试等研究了其结构、形貌和电化学性能。结果表明:F与金属离子(Li、Mg)的共同掺杂不仅提高了材料的比容量,还增加了尖晶石结构的稳定性,改善了材料的循环性能和可逆性能；Li1.02Mg0.05Mn1.93O3.95F0.05具有优越的循环性能,常温下以1／3C充放电的首次放电比容量为115.9mAh／g,40个循环后的材料容量保持率为96.5％。
再次,分别采用高温分段固相法和凝胶法合成了复合离子掺杂的尖晶石型锰酸锂Li1.02Mn1.92Al0.02Fe0.02Cr0.0204-xFx和Li1.02Mn1.92Al0.02Cr0.02Mg0.0204-xFx(x=0,0.06),并用XRD、SEM、CV、EIS和充放电测试等研究了其结构、形貌和电化学性能。结果表明:Li1.02Mn1.92Al0.02Fe0.02Cr0.02O3.94F0.06材料有着优异的电化学性能,常温和高温(55℃)下,以1／3C充放电的首次放电容量及50个循环后的容量保持率分别为(119.6mAh／g、97.5％,120.4mAh／g、91.9％),在常温和高温(55℃)下以1C充放电,首次放电比容量及90个循环后的容量保持率分别为(111.8mAh／g、94.7％；112.7mAh／g、89.4％)。
最后,采用凝胶法制备了性能优异、结构单一的LiNi1／3Co1／3Mn1／3O2材料,考查了反应温度及反应时间对材料电化学性能的影响。研究结果表明:采用该方法,在900℃的温度下,20小时制备的材料具有良好的循环性能,在3.0-4.4V的电压下进行充电,首次放电比容量为165.3mAh／g,30个循环后的容量保持率为94.5％。Cr元素取代不同金属元素所得一系列材料都具有单一的层状结构。其中LiMn1／3Ni1／3Ni1／30.05CO1／3O2Cr0.05在2.5-4.6V高压区内,材料有优异的循环性能,说明Cr掺杂能较好的改善材料的电化学性能。