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橄榄石型LiFePO4正极材料理论容量较高、循环稳定性好，原料来源丰富、价格低廉、对环境无污染，被认为是新一代很有发展前景的动力型锂离子电池正极材料。然而，LiFePO4材料本征电导率很低，严重影响其高倍率性能，阻碍了它的商业化应用进程。针对这种情况，人们尝试采取减小材料微粒尺寸、添加导电剂、掺杂金属离子等措施来改善LiFePO4材料性能，而这些措施必须通过适当的制备方法来实现。开发简便高效的制备方法，是发展高性能LiFePO4材料的关键。本文以制备具有优良高倍率性能的LiFePO4/C复合正极材料为目标，设计了一条新颖简便、符合原子经济性的LiFePO4/C复合正极材料制备路线；对制备过程中各工艺参数的影响进行研究，总结出最佳制备条件，并成功地进行中试实验研究和开发，获得有实用价值的LiFePO4/C复合正极材料制备技术。利用各种电化学测试手段，结合XRD和SEM等分析技术，对所制备的LiFePO4/C复合正极材料电化学行为及其反应机理进行了深入研究；并且探讨了阳离子掺杂和阴离子掺杂对LiFePO4/C材料电化学性能的影响。
本文LiFePO4/C复合正极材料制备采用高能球磨技术，以磷酸铁、磷酸锂、金属铁粉和蔗糖为原料，其反应过程如下：Fe+2FePO4+Li3PO4·1/2H2O=3LiFePO4+1/2H2O
球磨反应直接产物为LiFePO4/蔗糖复合物，将该球磨产物于600～650℃热处理30分钟，使蔗糖炭化，得到LiFePO4/C复合正极材料。XRD分析表明，所制备产物与橄榄石LiFePO4的标准谱图完全相符，为单一相正交晶系结构，空间群为Pnmb。产物由细小的纳米-亚微米级LiFePO4/C小颗粒组成，电镜照片中观察到的大颗粒只是LiFePO4/C小颗粒的聚集体。正是由于这种LiFePO4颗粒细小而且表面均匀包覆着具有良好导电性的碳的特殊结构，使制备的LiFePO4/C复合材料表现出优异的电化学性能。
电化学测试结果表明，制备的LiFePO4/C(含2.71Wt％C)具有优异的高倍率充放电性能和良好的循环稳定性。以1C倍率充电时，不同放电倍率下测量的LiFePO4/C初次放电容量分别为：141mAh/g(1C)，127mAh/g(2C)，119mAh/g(3C)和109mAh/g(5C)。在2C倍率下对Li|LiFePO4/C电池进行充放电循环实验，电池充放电容量持续300个循环稳定在127-131mAh/g范围；此后，随循环进行容量逐渐衰减。交流阻抗谱(EIS)测试表明，电池容量衰减与整个电池欧姆电阻增大和LiFePO4/C电极电化学阻抗增大有关。XRD分析及SEM观察指出，在长期循环中LiFePO4/C本身晶相结构稳定，而电极材料中大颗粒聚集体发生松散开裂导致LiFePO4/C微粒间接触电阻增大是LiFePO4/C电极性能下降的主要原因。
采用同步辐射XRD技术，原位研究Li|LiFePO4/C电池充放电过程中LiFePO4电极材料晶相结构随荷电状态的变化，证实了LiFePO4/C材料充放电过程的反应机制是一个伴随着Li+脱出/嵌入的LiFePO4/FePO4两相反应：
LiFePO4-xe--xLi+charge()dischargexFePO4+(1-x)LiFePO4通过适当元素掺杂可提高LiFePO4材料的电导率或晶相中Li+的迁移速度，减小锂嵌入/脱出反应过程的电极极化，从而提高材料的充放电性能。
本文分别研究了过渡金属元素Cr，Mn，Ni，Co部分取代Fe位阳离子掺杂和F元素阴离子掺杂对LiFePO4/C材料电化学性能的影响。通过Cr，Mn，Ni，Co元素对纯LiFePO4/C材料的Fe位掺杂研究表明，金属离子掺杂可以提高LiFePO4材料的电导率，减小充放电过程中的电化学极化，从而改善材料的倍率性能和循环稳定性。然而，掺杂离子的量直接影响材料的原始容量，过多掺杂使材料的原始容量有明显损失。微量掺杂，如LiFe0.98M0.02PO4/C(M：Cr，Mn，Co，Ni)，既不损失材料的原始容量，又可使材料电化学性能显著提高：在5C倍率放电时，LiFe0.98M0.02PO4/C(M：Cr，Mn，Co，Ni)材料的容量可达120mAh/g，且放电曲线电压平台高于3.2Vvs.Li+/Li。
将少量LiF掺入LiFePO4/C的合成原料中，按LiFe(PO4)1-xF3x/C(X：0.025，0.05，0.1)配比制备材料，以研究F元素掺杂对材料电化学性能的影响。XRD和XPS分析表明，对于LiF掺入量少的LiFe(PO4)1-xF3x/C(X：0.025，0.05)材料，F元素基本以LiF形式固溶入LiFePO4晶相中；而LiF掺入量比较多的LiFe(PO4)0.9F0.3/C材料，F元素则以Fe2(PO4)F和LiF的形式存在晶相中，有少量LiF没有固溶入LiFePO4晶相。电化学测试结果表明，F元素掺杂使LiFePO4晶相中Li+迁移速度加快，材料充放电过程电化学极化减小。少量掺F的LiFe(PO4)1-xF3x/C(X：0.025，0.05)材料在各种倍率下的充放电容量都明显提高，其高低温循环稳定性与未掺F材料相近。掺F量较多的LiFe(PO4)0.9F0.3/C材料虽然低倍率时的容量有所降低，但其高倍率性能和高温循环稳定性相当优秀。尤其是高倍率放电时仍表现出平稳的放电电压平台，且平台电压明显比未掺F和少量掺F的材料高。LiFe(PO4)0.9F0.3/C材料在25℃、10C倍率放电时，放电平台电压范围约为3.31-3.0Vvs.Li+/Li，放电容量为110mAh/g。而未掺杂的LiFePO4/C材料在25℃、5C倍率放电时的电压平台为3.08-2.86Vvs.Li+/Li，放电容量为109mAh/g。