随着锂离子电池的应用从手机、数码相机和笔记本电脑等电子仪器领域扩展至电动汽车、通信技术和移动存储设备等领域，人们对锂离子电池的性能，特别是对功率密度和工作电压，提出了越来越高的要求。锂离子电池工作电压和功率密度等性能，主要由正极材料决定。因此，发展高电压正极材料是发展高能量密度锂离子电池重要的研究方向之一。　　LiMn2O4(LMO)具有低成本、低毒性和良好的安全性能等优点，被认为是一种理想的正极材料。然而LMO能量密度低，研究表明当向LMO掺杂一定量的镍形成镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)后，其放电平台从4.1V提高至4.7 V，与传统的正极材料如LiCoO2、LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2和LiFePO4，LNMO的重量比能量得到很大提高。LNMO不仅可以满足新一代个人消费电子产品和大型电气设备功率要求，也可以兼容高工作电压的负极材料，如Li4Ti5O12，以提高电池的安全性能，使它成为下一代先进锂离子电池正极材料之一。　　本文针对LNMO存在导电性低、金属离子在电解液中溶解、容量衰减和倍率放电性能亟待改善和提高这些关键问题，开展制备和改性研究。主要内容分为三部分。第一部分，通过浸渍法制备了由纳米一次颗粒聚集而成的二次微米级球状颗粒LNMO，LMO，LMO和LNMO共生的LMO-LNMO I;考察了LNMO中微量Mn3+对其电化学行为的影响;与LNMO和LMO相比，LMO-LNMO I的容量、倍率性能和热稳定性都得到了很大提高。第二部分，在相同的制备方法和焙烧过程下合成了纳米级和微米级的LNMO，考察了材料的粒径大小与电化学性能的关系，发现纳米级的LNMO电化学综合性能没有微米级的LNMO好。在接下来的第三部分对纳米的LNMO进行了掺杂和包覆的改性研究。(1)采用简单易行的方法首次实现对LNMO的Na掺杂，提高了材料的导电性，改善了材料的电化学循环。(2)首次实现了对LNMO的V2O5包覆，提高了LNMO的锂离子扩散系数和减轻了材料在电解液中金属离子的溶解。(3)对LNMO进了CuO表面修饰的研究，改善了电化学循环。本文具体内容如下:　　一、浸渍法合成多孔的微米球状的LMO、LNMO和LMO-LNMO I及其电化学性能的研究。　　1.在本文的第三章，合成了以板栗壳状的MnO2为锰源通过浸渍方法合成了微米球状的LNMO材料，该材料的颗粒是由纳米级的多面体聚集而成的。这对电解液的浸入和锂离子的嵌入和脱出是有利的，且可以适应材料在充放电过程中的体积变化，减小材料颗粒之间的张力。通过进一步控制焙烧氛围空气或氧气，分别得到含有痕量Mn3+和不含Mn3+的LNMO材料。通过对其电化学性能的对比，创新性地提出了含有微量Mn3+的LNMO(LNMO-Air)电化学性能更优。特别是在高温和高倍率下（5C和55℃），LNMO-Air的充放电循环80圈后放电比容量还能保持在107 mAh·g-1，容量保持率接近100％。　　2.在第三章所合成的板栗壳状MnO2可以用来作为锰源和自我模板来合成LMO，而LMO由于其本身材料中Mn3+的Jahn-Teller效应，LMO的电化学循环衰减比较严重。由此出发，在本文的第四章，首次创新性地合成了共生的LiMn2O4-LiNi0.5Mn1.5O4(LMO-LNMO I)，在共生结构中LNMO稳定了LMO相的结构，使更多的锂参与了充放电;LMO提高了材料中Ni和Mn的无序性，从而提高了LMO-LNMO I的导电性。因此与LNMO、LMO和它们的共混材料相比，LMO-LNMO I的放电容量、循环稳定性、高温性能和热稳定性都得到了显著提高。　　二、粒径大小对LNMO电化学行为的研究。　　LNMO材料的粒径大小会影响它的电化学行为。在本文的第五章，通过严格控制相同的焙烧条件和合成方法合成了微米级和纳米级的镍锰酸锂，研究表明纳米级的LNMO没有微米级的电化学性能好。在接下来的第六、七和八章，对纳米级的LNMO进行了掺杂和包覆的改性研究。　　三、对纳米LNMO的改性研究。　　1.在第六章，首次合成了Na掺杂的LNMO。与其他重金属掺杂元素相比，Na元素储量丰富、廉价和无毒。Na源采用氢氧化钠，掺杂方法简单有效，可以用于大规模生产。Na进入活性位Li位，Na掺杂提高了LNMO中Ni和Mn的无序性，增加了材料中的锂离子跃迁途径和电导性，减少了电化学极化和欧姆极化。研究表明当掺杂量为5％时，材料的性能最佳。在1C下，材料的放电比容量高达125 mAh·g-1，循环100圈后容量保持率在93％。甚至在5C和55℃下，5％ Na掺杂的LNMO在循环400圈后容量还能保持在82％。　　2.在第七章，首次合成了V2O5包覆LNMO的纳米复合材料(V2O5-LNMO)，这种合成方法对仪器和设备要求不高，并且操作简单，可用于大规模生产。V2O5是一种可以嵌锂的钒的氧化物，界面处的V2O5可以与镍锰酸锂表面的LiOH和Li2CO3反应形成LiV2O5，因此V2O5与镍锰酸锂形成紧密接触，有利于电子的传递，与其他锂离子惰性的包覆物相比降低了电池的阻抗。V2O5不仅降低了材料表面的pH值，而且洁净了材料的表面由于吸潮产生的LiOH和Li2CO3等。在组装成电池后，V2O5有效减缓电解液与电极材料的相互作用，并减缓电解液中HF对LNMO的攻击，减轻金属离子的溶解，而且V2O5还作为锂离子导体提高了镍锰酸锂的锂离子扩散系数。研究发现当包覆量为5％时，材料的性能最佳。在1C下，材料的放电比容量高达131.5 mAh·g-1，循环100圈后容量保持率在92.2％，显著提高了LNMO循环稳定性。即使在5C和55℃，5％V2O5-LNMO的放电比容量还比LNMO高15％为126.3 mAh·g-1。　　3.在第八章，采用湿法合成了LNMO表面修饰CuO的纳米复合材料(CuO-LNMO)。CuO在循环过程中会转变成LiCuO2，然后LiCuO2和Li2CuO2在充放电过程中发生相互转化，这种层状的LixCuO2对锂离子的传输是有利的。实验表明当包覆量为1％时，LNMO的性能最佳。在1C下，材料的放电比容量高达126.1 mAh·g-1，循环100圈后容量保持率在99.5％。