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为了适应电动汽车、混合电动汽车及大容量储能电池等对高功率锂离子电池的发展要求，人们对锂离子电池的功率密度以及能量密度都提出了更高的要求;故进一步提升锂离子电池能量密度、功率密度及安全性成为电池产业发展的必然趋势，其中作为锂离子电池关键因素的正极材料更备受关注，开发出高容量和高电压性能的新型正极材料已经逐渐成为目前研究的热点。尖晶石型正极材料LiNi0.5Mn1.5O4由于具有4.7V放电平台、相对较高的放电容量及良好的安全性等优点，成为目前备受瞩目的锂离子电池正极材料。 本文以Ni(OOCCH3)2·4H2O、Mn(OOCCH3)2·4H2O为原料，以H2C2O4·2H2O为沉淀剂，用共沉淀法制备了镍锰草酸盐前躯体，将该前驱体和Li2CO3混合烧结合成了LiNi0.5Mn1.5O4正极材料，运用XRD、SEM、恒流充放电、CV和EIS等测试手段对所制样品材料进行物相微观结构表征及电化学性能测试。 首先，用正交实验方法分析了pH值、搅拌转速、高温煅烧温度和高温煅烧时间等因素对制备LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的性能影响，优化了制备LiNi0.5Mn1.5O4的工艺条件。研究表明，在溶液pH值为7.0、搅拌转速为700rpm的条件下，采用共沉淀法制得了镍锰草酸盐前躯体，经550℃预烧5h后与Li2CO3研磨混合，在850℃煅烧16h后于600℃退火处理8h，所制得LiNi05Mn1.5O4材料性能最佳。该样品在0.1C倍率下首次放电比容量为142.09mAh/g，电荷转移阻抗Rct为109.20Ω。 为改善LiNi0.5Mn1.5O4材料的电化学性能，对其分别进行了F-、Fe3+掺杂改性研究，研究了不同掺杂量对于样品材料性能的影响。经研究发现:当F-掺杂量x=0.05时的样品LiNi0.5Mn1.5O3.95F0.05的性能较好，0.1C时首次放电容量为129.07mAh/g，1C倍率和5C倍率下的放电比容量分别为118.49mAh/g和92.57mAh/g，循环50次后放电比容量依次为113.51 mAh/g和80.35 mAh/g，容量保持率分别为95.8％和86.8％。样品经过CV和EIS测试分析，其氧化还原电势差为△E=0.273V，电荷转移阻抗Rct值为48.26Ω，锂离子的扩散系数DLi+值为4.49×10-10 cm2·s-1，说明经适量的F-掺杂后样品的电荷转移阻抗Rct显著减少，极化减小，锂离子扩散系数得到了扩大。当样品中Fe3+的掺杂量为y=0.1的LiFe0.1Ni0.45Mn1.45O4电化学性能较佳，其在0.1C、0.5C、1C、2C和5C的放电比容量依次为131.54、126.84、121.28、116.49和96.82mAh/g;1C和5C循环50次后的放电比容量依次为117.03 mAh/g和84.81 mAh/g，容量的保持率依次为96.5％和87.6％。LiFe0.1Ni0.45Mn0.45O4氧化还原电势差为△E=0.291V，明显小于未掺杂样品LiNi0.5Mn1.5O4的△E=0.408V，表明样品材料经过适量Fe3+掺杂后，提高了材料结构的稳定性，降低了极化，改善了材料的循环稳定性能。LiFe0.1Ni0.45Mn0.45O4的电荷转移阻抗Rct值为最小的42.13Ω，锂离子扩散系数DLi+值为最大5.16×10-10 cm2·s-1。 进一步研究了Fe3+和F-复合掺杂对样品的改性，发现复合掺杂后材料的结构并没有发生改变，仍为立方晶系尖晶石结构。固定F的掺入量为x=0.05不变，当Fe掺杂量y=0.1时，样品的粒径分布最为均匀，颗粒较规则，为单一的尖晶石型。样品LiFe0.1Ni0.45Mn1.45O3.95F0.05的性能最优，在0.1C、0.5C、1C、2C和5C等不同倍率下的放电比容量依次为134.28、128.76、123.61、119.62和102.68mAh/g;在1C和5C倍率下循环50次后的放电比容量依次为130.92mAh/g和92.58mAh/g，容量的保持率依次为97.5％和90.16％。LiFe0.1Ni0.45Mn0.45O3.95F0.05氧化还原电势差为△E=0.269V，远小于未掺杂样品LiNi0.5Mn1.5O4的△E=0.408V，表明样品材料经过Fe3+和F-复合掺杂后，电极极化降低，材料的循环性能显著改善;LiFe0.1Ni0.45Mn0.45O3.95F0.05电荷转移阻抗Rct值为24.96Ω，锂离子的扩散系数DLi+值为6.39×10-10 cm2·s-1，与未经掺杂及单独掺杂修饰的样品相比，具有更大的离子和电子电导率，更大的锂离子扩散系数DLi,说明经过Fe3+和F-复合掺杂修饰的样品具有更好的倍率性能和循环性能。