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传统化石燃料的消耗和伴随的环境污染,促使了人们对绿色新能源技术的迫切追求。由于高比容量和高功率,电化学二次电池被认为是高效的能源存储和转换装置。然而缺少高性能的电池正极材料一直以来成为制约先进二次电池发展和应用的瓶颈,特别是在新起的电动汽车领域,许多研究者都致力于开发具有高比能量和高比功率的先进正极材料。在本论文中,我们通过总结分析了锂离子电池正极材料的研究进展和发展现状,选择高比容量和高工作电压的层状富锂锰基正极材料作为研究对象,以提高其电化学性能为目标,系统地研究了层状过渡金属氧化物材料的合成、改性以及结构和形貌的设计,并且探究了其作为锂离子或钠离子电池正极材料的电化学性能,主要研究内容和结果如下：1、通过溶胶-凝胶法分别在700,800,900和1000℃下煅烧20h合成了富锂材料Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2,电性能测试结果表明了800℃是最佳的合成温度,合成的样品具有最优的电化学性能。同时我们还在最佳的合成温度(800℃)下分别合成了富锂单相组分Li2MnO3和Li[Mn1/3Co1/3Ni1/3]O2,并以摩尔比为1：1的Li2MnO3和Li[Mn1/3Co1/3Ni1/3]O2材料进行球磨制得混合物,对上述材料做了结构表征和作为锂离子电池正极材料的充放电性能的测试。最后,我们以800℃合成的富锂材料为研究对象,运用了HRTEM和FFT表征,证明了富锂材料的结构并不是单相组分Li2Mn03 和 Li[Mn1/3Co1/3Ni1/3]O2的简单复合物,实则是两相在纳米级别水平混合的固溶体。结构决定性能,该研究对理解富锂材料复杂的结构和性能有着重要的指导意义。2、合成出了V2O5薄层包覆的层状富锂氧化物Li [Li0.2Mn0.54Co0.13Ni0.13]O2 (LMNCO@V2O5)并测试了其作为锂离子电池正极材料的电化学性能,同时将LMNCO@V2O5材料与未包覆V2O5薄层Li[Li0.2Mn0.54Co0.13Ni0.13]O2 (LMNCO)和I.MNCO-V2O5复合物材料进行了结构与性能的对比。作为一种可嵌入锂离子的宿主材料,LMNCO@V2O5和 LMNCO-V2O5中的V2O5均能减少首圈的不可逆容量损失,提高正极材料的库伦效率。然而,在提高Li[Li0.2Mn0.54Co0.13Ni0.13]O2材料的循环稳定性和倍率性能方面,LMNCO@V2O5中的V205包覆层的效果要远优于LMNCO-V2O5复合物材料中的V2O5纳米颗粒。当在电压窗口2.0-4.8 V,电流密度为25 mAg-1下恒流充放电时,3wt.% V2O5包覆的LMNCO@V2O5首圈和第50圈的放电比容量为279.5和269.1mAh g-1,容量保持率高达96.3%。相反,未包覆V2O5薄层的LMNCO材料的放电比容量从首圈的251.2 mAh g-1降低到第50圈的202.2 mAh g-1。在1250mAg-1的高倍率电流密度下,LMNCO@V2O5材料的放电比容量可以达到113.6mAh g-1,均比在此倍率下的未包覆V2O5薄层的LMNCO和L MNCO-V2O5复合材料的容量高得多。V205的不同效果源于它在正极材料中扮演的不同角色。I.MNCO@V2O5材料中的V205包覆层作为一种优良的电子和离子导体,可以减小电极-电解液界面电荷传递阻抗,提高锂离子在LMNCO颗粒中的锂离子传输,而LMNCO-V2O5材料中的V205纳米颗粒仅能作为一种可嵌入锂离子的宿主材料,有限地提高材料的充放电比容量。3、尖晶石相LiMn2O4成功植入到单斜相层状结构的Li2Mn03纳米棒中,当被用于锂离子电池正极材料时,这些层状-尖晶石集成结构的纳米棒表现出了高比容量和优异的倍率性能。初始Li2Mn03纳米棒是以a-MnO2纳米线为前驱体通过一种简单的流变相法合成出来的；尖晶石-层状结构的纳米棒是用硬脂酸作为还原剂通过温和的部分还原反应合成出来的。集成结构纳米棒的结构表征和电化学测试均证实了纳米级大小的LiMn2O4植入到初始的Li2MnO3纳米棒里面。当被用作锂离子电池正极材料时,尖晶石-层状结构的Li2Mn03纳米棒(SL-Li2Mn03)比初始的Li2MnO3纳米棒(L-Li2Mn03)表现出了好得多的性能。电压窗口2.0-4.8 V,电流密度为20mA g-1下充放电时,SL-Li2Mn03首圈和第60圈的放电比容量分别为272.3 and 228.4 mAh g-1容量保持率为83.8%。SL-Li2Mn03同时也表现出了优越的倍率性能。当在倍率为1C,2C,5C和10C下循环数百圈时,SL-Li2Mn03的放电比容量分别可以达到218.9,200.5,147.1和123.9 mAh g-1。SL-Li2MnO3如此优异的性能应归结于其尖晶石-层状的集成结构。高容量和优异的倍率性能特点让尖晶石-层状结构的材料成为下一代高功率锂离子电池优秀的正极材料之一4、在NaCl熔盐中引入a-MnO2纳米管为模板和锰源,通过熔盐法一步原位合成出了具有分级结构的、由5-20 nm的二次纳米颗粒组成的富锂Li 1.15Mn0.54Co0.23Ni0.08O2纳米线。被用于锂离子电池正极材料测试其电化学性能时,富锂纳米线表现出了非常优秀的电化学性能。材料的放电比容量大、循环稳定、倍率性能(特别是高倍率性能)良好。在没有使用表面修饰及掺杂的情况下,Li 1.15Mn0.54Co0.23Nio.08O2纳米线在电压窗口为2.04.8 V,电流密度为25 mAg-1时,首圈的充放电比容量分别为375.1和304.5 mAh·g-1,库伦效率高达81.2%。充放电电流密度为0.5C时(1C= 250mA g-1),富锂纳米线在循环100次之后放电比容量仍能达到253.3 mAh·g-1,容量持有率为90.3%。即使在超高倍率30C下循环1000圈,Li1.15Mn0.54Co0.23Ni0.08O2纳米线仍然能释放65 mAh·g-1的放电比容量,且容量没有呈现明显的衰减趋势。这些优秀的电化学性质应该是：一级结构极大的缩短了锂离子和电子的传输路径,二级结构一维纳米线则可以提供有利的一维电子传输通道。循环数百次后的材料依然基本上维持了一维纳米线形貌,这种结构的稳定应该是其电化学性能稳定的一个重要原因。本章还通过传统的共沉淀法合成了相同组分的富锂块体材料并检测了其电化学性能。另外,平行实验的结构表明熔盐NaCl介质的存在和一维的α-MnO2纳米管都是最终形成一维纳米线产物的必不可少的条件。5、通过熔盐法合成了大量(010)晶面暴露的Na0.5 [Mn0.65Co0.2Ni0.15]O2纳米片材料,同时,还通过溶胶-凝胶法合成了相同组分的Na0.5[Mn0.65Co0.2Ni0.15]O2微米块材料,它们都具有理想的P2相层状结构。当它们被用于钠离子电池正极材料时,Na0.5[Mn0.65Co0.2Ni0.15]O2纳米片材料表现出了比Na0.5[Mn0.65Co0.2Ni0.15]O2微米块材料更为出色的倍率性能和高容量特性。当在O.1C(14mAg-1)的电流密度下充放电时,Na0.5[Mn0.65Co0.2Ni0.15]O2纳米片材料的首圈和第50圈的放电比容量分别为169.4和136.3 mAh g-1,容量持有率为80.5%。而Na0.5[Mn0.65Co0.2Ni0.15]O2微米块材料的首圈和第50圈的放电比容量分别为156.1和107.1 mAhg-1,容量持有率为68.6%。当分别在1C,2C,5C,10C和20C (1C= 140 mAg-1)倍率下循环数百圈时,Na0.5[Mn0.65Co0.2Ni0.15]O2纳米片的放电比容量仍能分别达到110.5,100.4,76.5,37.4和18.1mAh g-1。Na0.5[Mn0.65Co0.2Ni0.15]O2纳米片优异的电化学性能是由于其大量暴露的(010)活性晶面,这些活性晶面非常有利于材料中电子的快速传输和钠离子的快速脱嵌,因此极大提高了其电化学性能。