作为兼具高能量密度、高功率密度和高工作电压等优点的新型环保二次电源,锂离子电池发展迅猛,已成为当前手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子设备的主流电源。然而,锂离子电池应用领域的不断拓展,特别是3G通讯技术、电动车和移动式储能设备的迅速发展,对其电源的性能,尤其是功率密度和工作电压,提出了越来越高的要求。当前,锂离子电池的功率密度和工作电压等性能主要受其正极材料性能的制约。为此,本论文选择具有三维锂离子扩散通道的尖晶石LiMn₂O₄体系作为研究对象,采用间苯二酚-甲醛溶胶凝胶法,对其进行了纳米化和掺杂改性,成功制备了纳米尖晶石LiMn₂O₄材料,以及掺杂改性的尖晶石LiNi_xMn_2-xO₄（0.4≤x≤0.55）和LiCr_0.2Ni_0.4Mn_1.4O₄材料,有效提高了正极材料的功率密度和工作电压,为进一步改善锂离子电池性能奠定了良好的基础。论文系统研究了间苯二酚-甲醛溶胶凝胶法制备条件对尖晶石LiMn₂O₄正极材料结构、组成和电性能的影响规律。通过凝胶预烧结和间苯二酚-甲醛配比优化,有效解决了材料的杂质相和团聚问题,制备了相纯度高、粒径均一和电性能优良的纳米尖晶石LiMn₂O₄正极材料。为解决纳米尖晶石LiMn₂O₄材料制备过程中的相纯度问题,论文对凝胶前躯体的热处理工艺进行了系统研究,发现对凝胶前驱体进行预烧结可以有效提高材料的相纯度,抑制杂质相的出现。在此基础上,采用两步法制备的尖晶石LiMn₂O₄正极材料比一步法材料的结晶性好、相纯度高、分散性和均一性好,具有更好的电化学性能。为解决纳米尖晶石LiMn₂O₄材料制备过程中的分散性和均一性问题,论文系统研究了间苯二酚和甲醛配比对合成材料形貌粒径的影响,发现R/L比5:1时所制备尖晶石LiMn₂O₄材料除了结晶性好和相纯度高外,具有疏松的多孔状结构,以及良好的分散性和均一性。为改善纳米尖晶石LiMn₂O₄材料的结晶性和控制材料的粒径,论文系统研究了二次烧结温度和时间对材料性质的影响,发现随着烧结温度升高和烧结时间延长,材料的结晶度提高,晶粒增大,锂元素和氧元素比例下降,锰元素平均价态降低,二次烧结温度为650℃,时间为10 h时材料的结晶性好、粒径较小且分布均一、电性能最好。通过系统优化得到的最佳制备条件为:间苯二酚-甲醛配比为R/L比5:1,采用两步烧结法,对凝胶前驱体进行360℃预烧结,然后在650℃下二次烧结10 h。上述最佳条件制备的纳米尖晶石LiMn₂O₄材料,晶格常数为8.2386 （A|。）,晶粒平均粒径为47 nm,其化学组成为Li_0.993Mn_1.997O₄,0.2 C下材料的首次放电比容量和库仑效率分别为137 mAh/g和96.3%,循环100次后其容量保持率为85%,其中首次放电比容量高于文献报道值。论文首次系统研究了尖晶石LiMn₂O₄正极材料高倍率性能（20 C以上）与制备条件的关系,获得了优化的制备条件。探讨了尖晶石LiMn₂O₄材料晶格常数和晶粒尺寸与其高倍率下容量保持率、电压保持率和能量密度的相互关系,为发展高功率正极材料提供了良好的理论指导。通过系统研究间苯二酚-甲醛溶胶凝胶法制备工艺对纳米尖晶石LiMn₂O₄正极材料高倍率性能的影响发现,烧结温度是影响该材料高倍率性能的主要因素,烧结时间和原料配比的影响次之。高倍率下尖晶石LiMn₂O₄材料的容量保持率、电压保持率、能量密度和功率密度随着烧结温度的升高而呈先增加后降低的变化规律,最佳烧结温度和时间分别为650℃和10 h,最佳原料配比为R/L比5:1,上述条件所合成材料的高倍率性能最优,40 C下的容量保持率和电压保持率分别为87%和94%,30 kW/kg下的能量密度高达400 Wh/kg。为探讨尖晶石LiMn₂O₄材料结构与其高倍率性能的相关联系,论文首次系统研究了尖晶石LiMn₂O₄材料的晶格常数对其锂离子扩散系数和高倍率性能的影响。研究发现材料的锂离子扩散系数随其晶格常数增大呈先增加后减小的变化规律,当晶格常数在8.235⁸.245 （A|。）区间时,材料具有较高的锂离子扩散系数。研究还发现随着放电倍率增加,材料晶格常数对其高倍率下容量和电压保持率的影响不断增大,晶格常数介于8.236⁸.240 （A|。）之间的尖晶石LiMn₂O₄材料在高倍率下具有较高的容量和电压保持率。为探讨尖晶石LiMn₂O₄材料晶粒尺寸与其高倍率性能的相关联系,论文系统研究了尖晶石LiMn₂O₄材料的晶粒尺寸对其高倍率性能的影响。发现材料晶粒尺寸对其在20 C倍率下的电性能影响较小;放电倍率高于20 C时,材料晶粒尺寸对其电性能影响明显增大,而且随着放电倍率增加,晶粒尺寸的影响不断增大,晶粒尺寸在35⁵0 nm之间的材料在高倍率下具有较高的容量和电压保持率。论文系统研究了间苯二酚-甲醛溶胶凝胶法掺杂工艺对尖晶石LiNi_xMn_2-xO₄材料组成、结构和电性能的影响,揭示了掺杂工艺条件对其电压特性的影响规律;制备出电压平台高、高倍率性能和循环性能优良的尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料。鉴于Cr³⁺/Cr⁴⁺更高的氧化电位和Cr-O键更强的结构稳定特性,论文首次采用间苯二酚-甲醛溶胶凝胶法,探索了镍铬二元掺杂对尖晶石LiMn₂O₄材料性能的影响,制备出工作电压更高和循环性能更优的尖晶石LiCr_0.2Ni_0.4Mn_1.4O₄材料。为探讨间苯二酚-甲醛溶胶凝胶法制备过程对尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料结构、组成和电性能,特别是电压特性的影响规律,论文系统研究了二次烧结温度对材料性质的影响。发现在不同烧结温度下所合成尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料具有两种不同的结构,其中烧结温度为650℃时出现了有序结构尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄,但该结构材料的电性能,特别是高倍率性能较差;随着烧结温度升高,材料由有序结构转变为无序结构,晶格常数增加,粒径增大,4 V区电压平台不断增加,首次放电比容量和高倍率性能先增高后降低。通过系统优化分析可知,掺杂改性对材料的容量影响较小,烧结温度为750℃时材料的电性能最好,其首次放电比容量（134 mAh/g）与未掺杂的尖晶石LiMn₂O₄材料接近（137 mAh/g）,但0.2 C倍率下的放电中值电压（4.60 V）明显高于后者（4.02 V）,循环100次后的容量保持率（93%）明显高于后者（84%）,40 C下其放电中值电压（4.27 V）明显高于后者（3.70 V）,功率密度40 kW/kg下其能量密度（380 Wh/kg）明显高于尖晶石LiMn₂O₄材料（320 Wh/kg）。通过进一步探讨镍掺杂比例对尖晶石LiNi_xMn_2-xO₄（0.4≤x≤0.55）材料性能的影响规律,论文研究发现镍掺杂比例对材料的结构、组成和电性能,特别是电压平台特性存在显著影响,随着镍掺杂比例提高,尖晶石LiNi_xMn_2-xO₄材料的晶格常数不断减小,锰元素平均价态升高,材料的4 V区平台比例明显减小,电化学性能呈先提高后降低的趋势,其中镍掺杂比例为LiNi_0.5Mn_1.5O₄时材料具有最优电化学性能。为进一步提高正极材料的工作电压和循环性能,论文首次采用间苯二酚-甲醛溶胶凝胶法对尖晶石LiMn₂O₄进行了镍铬二元掺杂,成功制备了具有优良性能的尖晶石LiCr_0.2Ni_0.4Mn_1.4O₄正极材料。该材料结晶性好、相纯度高、分布均一;由于Cr³⁺/Cr⁴⁺更高的氧化电位和Cr-O键更强的结构稳定特性,尖晶石LiCr_0.2Ni_0.4Mn_1.4O₄材料在4.8 V存在更高的电压平台,0.2 C下的放电中值电压（4.65 V）高于尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料（4.60 V）,循环100次后其容量保持率（95%）高于尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料（93%）,因而该材料具有良好的研究和应用前景。