锂离子电池是当前最具有发展潜力的动力与储能电池体系,衡量锂离子电池性能的一个重要指标是电池的能量密度。为了实现更高的电池能量密度,我们需要采取提高电池材料的比容量,或提高电池平均放电电压的途径来实现这一目标。由于目前锂离子电池负极材料如石墨材料理论比容量一般都比较高,因此如何实现锂离子电池正极材料的高比容量及其高工作电压成为了当前锂离子电池研究的重要课题。由于富锂锰基正极材料在充电到高电压下可以可逆脱嵌较多的锂离子,具有较大的比容量,因此,富锂材料成为了目前正极材料研究的一个重要课题。本硕士论文以高温固相法合成了一系列基于Li₃Nb_O4的富锂正极材料xLi₃Nb_O4·（1-x）LiMnO₂（x = 0.11,0.25,0.43,0.67）。通过优化合成条件,确定了最优的材料合成温度和反应时间,并结合XRD分析,确定当x取值在0.25～0.67之间时,可合成出纯固溶体晶相材料,该晶相属立方晶系,为Fm-3m空间群。论文选择x = 0.43和x = 0.25的两种材料开展相应的电化学研究。电化学研究结果表明,x = 0.43和x = 0.25的样品均具有较好的电化学性能,首次放电比容量达到了 216 mAh/g,相当于1.8个锂离子的脱嵌。虽然两者在长周期的充放电循环下都有明显的容量和电压衰退,但x = 0.25的材料电压衰退更严重,我们推测这是由于x = 0.43的材料含有更多的Li₃Nb_O4组分,起到了稳定晶格结构的作用。为了进一步理解相关材料中Li₃Nb_O4的作用及其相关的电化学反应机理,我们选择0.43Li₃Nb_O4·0.57LiMnO₂材料对其充放电反应机理进行了深入研究。非原位XRD测试结果表明:该材料在充放电循环过程中结构较稳定,伴随着Li⁺离子的脱出,材料晶格常数减小,但整个循环过程中没有观察到新相出现。XPS分析的结果表明,在充电过程中Mn³⁺被氧化到Mn⁴⁺,而Nb⁵⁺在充电过程中结合能也向高能方向偏移,说明Nb在循环过程中也起到了提供电子的作用。比较充放电循环到不同状态下Mn的XAFS测试进一步证实了 Mn在充电过程中的价态变化都是在4.3V以下完成的。整个充电过程可以分为两步,4.3V以下时,脱出Li⁺离子的同时Mn³⁺被氧化到Mn⁴⁺。在高于4.3V后,Mn的价态不再发生变化,主要由铌和氧的共同作用来进行电荷补偿。为了探讨掺杂元素对该系列材料电化学性能的影响,本文还通过固相法成功制备了掺钴的含铌富锂材料 0.43Li₃Nb_O4 · 0.57Li_1-xCoxO₂（x=0.25,0.5）,XRD 测试数据表明掺入了 Co³⁺的样品同样属于立方晶系,Fm-3m空间群,Co³⁺取代了Mn³⁺的位置,随着掺Co³⁺量增加,材料晶格常数有所减小,晶格常数随掺Co³⁺量变化的规律具有固溶体的特点。电化学性能测试表明,掺入适当的Co³⁺后材料的传荷阻抗变小,倍率性能得到了提升,循环性能也得到了一定改善。