正极材料是目前限制锂离子电池性能的瓶颈所在,对电池的能量密度和功率密度起着决定性的影响。尖晶石LiNi0.5Mn1.504正极材料因其工作电压高(4.7 V vs.Li+/Li)、理论容量大(147 mAh·g-1),有望打破当前锂离子电池能量密度和功率密度的瓶颈。然而,LiNi0.5Mn1 5O4正极材料在大电流密度下的比容量远低于理论容量,并且循环过程容量衰减快,限制了其在锂离子电池中的广泛应用。本论文采用聚合物(PEG-400)辅助法制备了 LiNi0.5Mn1.5O4正极材料,利用X-射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等对合成产物的晶体结构和脱锂过程的物相变化进行表征,采用交流阻抗(EIS)和循环伏安(CV)对其电化学性能进行了分析,揭示了相变与其导电性的关系,利用金属离子M(M=Cr、Co、A1)掺杂有效地改善了 LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的结构稳定性、导电性和容量性能。由于LiNi0.5Mn1.504在脱/嵌锂反应时会发生复杂的相变,锂离子的迁移在充放电循环过程会受到相界和新相形成的阻碍,进而造成LiNi0.5Mn1.5O4正极材料导电性不佳、高倍率下的容量性能受损。可见,相变能够对锂离子电池正极材料的电化学性能产生显著的影响,抑制相变是改善LiNi0.5Mn1.5O4实际性能的有效策略之一。研究发现脱锂末期颗粒表面类岩盐相的形成导致锂离子电池在脱/嵌锂反应中的不对称扩散,并且循环过程中多个立方相的演化也阻碍了 LiNi0.5Mn1.5O4正极材料中锂离子的扩散。金属离子M(M=Cr、Co、A1)掺杂能够有效地抑制LNi0.5Mn1.5O4材料的复杂相变,不仅提高了锂离子在晶格内的扩散率,而且通过减少晶格失配和缓解锂离子在脱/嵌锂过程中的结构应力,稳定了电荷转移界面,提高了充放电过程的库伦效率。研究结果表明:Cr掺杂显著抑制了充放电过程中的相变,其中LiNi0.4Cr0.1Mn1.5O4在5C倍率条件下循环100周,容量保持率高达97.4%,首周库伦效率达到97.1%。