锂离子电池相对于其它可充电电池的较高的能量密度使其成为了小型的手机、数码照相机等电子设备电源的首选。不过随着现代社会的不断发展,人们对于电池的性能也提出了更高的要求。比如,现在的智能手机对电量的消耗要远大于原来的普通手机,以现在的电池容量需要一天一充,非常麻烦,所以这一类的电子产品就需要更高容量的电池。而对于电动汽车的电池系统而言,为了适应不同的交通路况和好的加速性能,要求电池系统除了高能量密度外,还能在较大的功率下进行充放电。随着社会能源需求量的上升,太阳能,风能发电等新能源技术都得到了较快的发展。但是由于这些新能源的输出跟自然条件相关联,不能形成稳定的输出电压,这对于供电设备而言是致命的缺陷,这就需要用储能装置来削峰平谷、稳定输出。对于这类储能系统的电池体系来说,首先成本要低,另外对放电功率也有一定的要求,能够满足供电设备的功率。商品化的锂离子电池大多使用石墨为负极,钴酸锂为正极,其能量密度、成本、功率密度和安全性都无法满足现在储能和电动汽车的要求,所以开发新的电极材料成为了锂离子电池研究的热门课题。本论文的主要目的是提高锂离子电池的功率密度,在大电流下获得更高的能量密度。为此,作者选择了两种不同的正负极材料作为主要的研究对象,一种是尖晶石结构的LiNi_0.5Mn_1.5O₄,其放电电压比较高（4.7 V）,作为锂离子电池的正极使用。这种材料的电子电导比较高,而且锂离子在材料中间的扩散是三维扩散,速度比较快,能够在大电流下进行充放电而且具有很高的能量密度。另外一种是尖晶石结构的L₁₄Ti₅O₁₂,放电电压为1.5 V,作为负极使用。Li₄Ti₅O₁₂因为没有SEI的形成,大电流下充放电性能要好于传统的石墨负极。在本论文中,作者主要研究了LiNi_0.5Mn_1.5O₄的合成方案的改良以及掺杂改性,Li₄Ti₅O₁₂的晶格掺杂改性以及表面包覆改性,通过这些努力获得了性能优异的电极材料。作者还将上述经过优化的正极材料(LiNi_0.5Mn_1.5O₄)和负极材料（LiCrTiO₄）进行匹配得到高功率的全电池。此外,作者还研究了另外一种尖晶石的Co₃O₄的负极材料以及由Li₄Ti₅O₁₂表面包覆改性衍生出的新型的Cr₂O₅正极材料。在绪论当中,作者简单地介绍了锂离子摇椅电池的充放电原理、锂离子电池的结构以及重要的电极材料体系。重点论述了几种尖晶石结构电极材料如LiNi_0.5Mn_1.5O₄的正极及Li₄Ti₅O₁₂的负极的特点及研究现状,并简要介绍了电动汽车电池的要求及发展状况,叙述了本论文的选题背景。在第二章中,重点介绍本论文中所用到的实验用药品和实验仪器,并且描述了实验用的扣式电池的制备过程,以及常用的电化学和结构测试手段。第三章里作者利用改良的固相法制备了具有良好电化学性能的LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料。作者首先通过文献调研发现在三种常见的LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料的合成方法中（固相法、溶胶凝胶法及共沉淀法）,共沉淀法得到的样品容量最高,可以达到接近140mAh g^-1,区别在于在共沉淀法中Ni、Mn两种离子在优先混合后再与锂源反应。作者借鉴了这一步骤,在固相合成样品的过程改变了传统的方案,先将扩散比较慢的Ni、Mn源物质混合并煅烧,再加入Li源进行烧结得到产物。与直接混合三种金属前驱物相比,分步混合得到的产物具有更高的容量和更优的循环倍率性能,结构也有所不同。此外,作者还进一步考察了LiNi_0.5Mn_1.5O₄中Li含量的变化对材料结构和电化学性能的影响,并且通过对Ni位和Mn位进行Cr的掺杂取代进一步改善了样品的循环稳定性。固相法制备样品的优点在于成本低、加工简单,但是在固相法合成LiNi_0.5Mn_1.5O₄的过程中,由于高温下Ni的析出会造成产物中LixNi1-xO的形成。为了减少杂质含量,在第四章中,作者使用了柠檬酸盐法来制备LiNi_0.5Mn_1.5O₄。与传统的柠檬酸盐法加热温度比较低、耗时较长的缺点相比,作者利用微波加热的方法在短时间内将溶液中的水蒸发得到均匀的凝胶,并且利用这种方法得到了倍率性能优异的LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料。同时,作者还研究了LiNi_0.5Mn_1.5O₄在大倍率下的循环性能以及长循环后的结构和阻抗变化。在第五章中,作者用丙烯酸热聚合法合成了Cr掺杂的Li₄Ti₅O₁₂（LiCrTiO₄）。与固相反应法不同的是,由于在丙烯酸热聚合法合成过程中加入了具有氧化性的硝酸,使得最终的产物中一种含有Cr⁶⁺的LiCr_xO_y杂相。由于高价Cr的存在,在首次放电过程中,LiCr_xO_y会与锂发生反应,所得产物能大大降低LiCrTiO₄的阻抗,使得LiCrTiO₄具有非常优异的倍率性能。由于高价铬在LiCrTiO₄中得优异表现,在第六章中,作者用CrO₃的水溶液对商品的Li₄Ti₅O₁₂粉体进行处理并测试其电化学性能。作者发现经过CrO₃水溶液处理的Li₄Ti₅O₁₂粉体会有一些新的杂质相得生成,如TiO₂,Li₂CrO₄以及可能的Cr₂O₅,这是由于CrO₃溶解在水中会生成铬酸,其中的H+会跟Li₄Ti₅O₁₂中的Li⁺进行交换,得到144Ti₅O₁₂和Li₂Cr₂O₇两种新的产物,再经过热处理就会分解得到TiO₂等产物。经过处理的Li₄Ti₅O₁₂表现出优异的倍率性能,为确定原因,作者设计了几种方案分别进行TiO₂, Li₂CrO₄以及可能的Cr₂O₅包覆并测试其倍率性能,结果发现除TiO₂外,另外两种包覆相均有改性作用。由于这两种物质在首次放电过程中都会发生不可逆的反应并生成一种新的物质,而这种物质的对锂电位应该在1.5 V以下,会对Li_4+xTi₅O₁₂中的部分Ti³⁺离子起到一定的稳定作用,可能在Li₄Ti₅O₁₂的表面会有一层稳定的电子的良导体Li_4+xTi₅O₁₂,从而提高材料的倍率性能。在第七章中,我们将倍率性能优异的LiCrTiO₄负极和LiNi_0.5Mn_1.5O₄进行匹配得到了具有良好循环和优异倍率性能的全电池。不过在大电流下放电时,容量会随着循环的增加有一定的衰减,这个跟全电池的阻抗增加有着很明显的关系。在第八章中作者用水热的方法合成除了不同形貌的碱式碳酸钴,并且通过热解后得到了形貌保持的Co₃O₄。得到的Co₃O₄具有比较低的首次不可逆容量损失（16%）,而且具有很好的容量保持率和倍率性能。不同形貌的Co₃O₄之间也有一定的差异,其中片状Co₃O₄具有更好地机械强度,能够在经过研磨之后保持片状结构,在乙炔黑减少之后仍能保持不错的电化学性能。而棒状的Co₃O₄在研磨之后会粉碎为小颗粒,相互之间接触较差,需要大量的乙炔黑来提供电子通道,所以在乙炔黑减少后电化学性能下降比较明显。虽然Cr₂O₅在1-2.5 V的区间中是没有可逆容量的,但是当电化学窗口放大到1-4.5 V时,Cr₂O₅可以可逆循环。在第九章中作者研究了CrO₃在不同温度下热解的产物以及不同温度下热解得到的Cr₂O₅的电化学性能研究。电化学测试显示在1.0-4.5 V之间循环时,比容量可以达到300 mAh g^-1以上,但是1.0-2.0V之间的容量下降很快,导致循环性能不佳。为了得到更好地循环性能,作者将充放电区间减小为2.0-4.5 V,容量会有所下降,大概在250 mAh g^-1左右,但是循环性能有很大的提高,100次循环后容量可以保持在初始容量的96%。原位XRD显示在Cr₂O₅的首次放电过程中,开始会发生一个不可逆的单相反应,形成部分锂化的Li_xCr₂O₅,在后续反应过程中,Li_xCr₂O₅慢慢地转变为另一相,LiyCr₂O₅ （u-phase）。在后续的循环过程中,充放电曲线变为斜线,XRD图谱也没有大的变化,说明后续的充放电过程是一固溶体过程。由于Cr₂O₅中不含有锂离子,无法与除了金属锂以外的其他负极匹配做成全电池,在这里作者探索了用化学锂化的方法来合成锂化的Cr₂O₅。常用的化学锂化的锂源是丁基锂和LiI。丁基锂的对锂电位是1V左右,适合作为Cr₂O₅锂化的锂源。要达到完全锂化,Cr₂O₅相基本消失,丁基锂需要过量80%以上,或者是需要长时间的反应（6天以上）。得到的LiyCr₂O₅容量最高可以达到190 mAh g^-1。在500℃以下,LiyCr₂O₅都可以稳定存在,当温度上升到6000C时,LiyCr₂O₅中得Cr⁶⁺会分解,形成LiCrO₂。除了丁基锂外,作者还用LiI左右锂源得到了锂化的Cr₂O₅相,不过由于LiI在常温下的对锂电位在2.8 V左右,所以常温下是无法完全锂化的,为了得到完全锂化的的Cr₂O₅相,需要在350℃下加热反应,利用碘的挥发性使得反应可以进行下去。最后,对本论文的创新和不足作了一个简要的总结,并讨论了今后可能的研究方向和工作目标。