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人类可持续发展的基础是新能源的不断开发。随着科技的不断进步，人们对电池的性能要求变得更高。锂离子电池以其低成本、高容量、对环境友好和质量轻等优良性能成为电池研究的热点。在众多锂离子电池正极材料中，橄榄石型结构的LiFePO4以其较高的理论容量及能量密度、循环性能好、安全性高以及对环境友好等优点，被公认为最具潜力的动力电池材料之一。然而其较低的离子迁移率、电子电导率和振实密度限制了它的应用。因此，本文主要通过优化其合成工艺、碳包覆和金属离子掺杂对材料的性能进行改善。
本文结合XRD、SEM、EDS、DSC-TGA、TEM以及室温恒流充放电、交流阻抗和循环伏安等现代测试手段，对正极材料LiFePO4及其派生物系列的结构、形貌及电化学性能进行了系统研究。
首先，以FeC2O4·2H2O、 NH4H2PO4和Li2CO3为原料，采用高温固相合成法，以不同含量（5～20 wt％）的葡萄糖为碳源，利用碳包覆的手段对材料进行改性，以确定材料的最佳工艺制备条件。逐一考察了焙烧温度、葡萄糖添加量和焙烧时间对产物电化学性能的影响。通过单因素实验确定出制备LiFePO4/C复合材料的最佳工艺条件为:焙烧温度650℃，葡萄糖添加量为15 wt％，焙烧时间9h。在此条件下合成出的LiFePO4/C粉体纯度高、结晶好、颗粒细小且分布均匀，在0.1 C倍率下首次放电比容量可达129.4mAh/g，经过20次循环充放电后，容量保有率达97.84％。;
然后，在最佳工艺制备条件的基础上，保持掺碳总量不变，添加适量的石墨烯，本文创新地考查了传统碳源葡萄糖和石墨烯共同作用，对材料最终形貌、结构和电化学性能的影响。当掺杂石墨烯含量为3 wt％，葡萄糖含量为12 wt％时，得到的LiFePO4/(C+graphene)复合材料的电化学性能最优。该材料在0.1C倍率下首次放电比容量达到146.9 mAh/g，比不含石墨烯的LiFePO4/C复合材料提高了13.52％。当循环20次后，材料的比容量为144.6 mAh/g，容量保有率达到了98.43％。
最后，基于最佳工艺制备条件，本文还进一步考查了金属离子Mg、Mn和Ti同时混合掺杂占据Li位和Fe位以及与碳包覆共同作用对材料最终电化学性能的影响。金属离子Mg、Mn和Ti的适量掺杂，具有提高材料电化学性能的作用。其中，Li0.99Mg0.01Fe0.8Mn0.1Ti0.1PO4/C复合材料在0.1 C倍率下的首次放电比容量为154.8mAh/g，比不掺杂金属离子的LiFePO4/C正极材料的首次放电比容量提高了19.62％。材料经过20次循环后，材料的比容量为148.3 mAh/g，容量的保有率达95.8％。
本文结合XRD、SEM、EDS、DSC-TGA、TEM以及室温恒流充放电、交流阻抗和循环伏安等现代测试手段，对正极材料LiFePO4及其派生物系列的结构、形貌及电化学性能进行了系统研究。
首先，以FeC2O4·2H2O、 NH4H2PO4和Li2CO3为原料，采用高温固相合成法，以不同含量（5～20 wt％）的葡萄糖为碳源，利用碳包覆的手段对材料进行改性，以确定材料的最佳工艺制备条件。逐一考察了焙烧温度、葡萄糖添加量和焙烧时间对产物电化学性能的影响。通过单因素实验确定出制备LiFePO4/C复合材料的最佳工艺条件为:焙烧温度650℃，葡萄糖添加量为15 wt％，焙烧时间9h。在此条件下合成出的LiFePO4/C粉体纯度高、结晶好、颗粒细小且分布均匀，在0.1 C倍率下首次放电比容量可达129.4mAh/g，经过20次循环充放电后，容量保有率达97.84％。;
然后，在最佳工艺制备条件的基础上，保持掺碳总量不变，添加适量的石墨烯，本文创新地考查了传统碳源葡萄糖和石墨烯共同作用，对材料最终形貌、结构和电化学性能的影响。当掺杂石墨烯含量为3 wt％，葡萄糖含量为12 wt％时，得到的LiFePO4/(C+graphene)复合材料的电化学性能最优。该材料在0.1C倍率下首次放电比容量达到146.9 mAh/g，比不含石墨烯的LiFePO4/C复合材料提高了13.52％。当循环20次后，材料的比容量为144.6 mAh/g，容量保有率达到了98.43％。
最后，基于最佳工艺制备条件，本文还进一步考查了金属离子Mg、Mn和Ti同时混合掺杂占据Li位和Fe位以及与碳包覆共同作用对材料最终电化学性能的影响。金属离子Mg、Mn和Ti的适量掺杂，具有提高材料电化学性能的作用。其中，Li0.99Mg0.01Fe0.8Mn0.1Ti0.1PO4/C复合材料在0.1 C倍率下的首次放电比容量为154.8mAh/g，比不掺杂金属离子的LiFePO4/C正极材料的首次放电比容量提高了19.62％。材料经过20次循环后，材料的比容量为148.3 mAh/g，容量的保有率达95.8％。