在各种锂离子电池正极材料中，锰基材料具有安全性能高、造价低、环境友好等特点，因此，锰基氧化物材料一直是锂离子电池正极材料的研究重点。在锰基材料中，基于一个Li+离子可逆脱嵌的尖晶石材料LiMn2O4目前已经实现商业化生产，由于其结构中仍然存在多个空位，在宽电位区间理论上可以实现两个Li+离子在Mn2O4骨架结构的嵌入和脱出，实现更高的容量。但是Mn2O4骨架结构中嵌入两个Li+离子时会导致严重的容量衰退，因此商业应用中仅将该材料做为4V材料使用。前期的研究发现，Ti取代可以稳定LiMn2O4的循环性能，但对其取代后材料的充放电过程以及充放电过程中结构变化的研究较少，材料的构效关系亟待深入研究。近年来，富锂锰基层状材料xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2由于比容量高，成本低，对环境相对友好，因此受到国际上的广泛关注。然而该系列材料首次不可逆容量损失较大，循环容量逐渐衰退，倍率性能差，并且工作电压在循环时逐渐降低，阻碍了其实际应用。材料混合的方法可改善富锂材料的一些性能，但如何选择与富锂材料进行共混的材料尤为重要，实现性能互补并且循环性能稳定的材料是制备共混材料的关键。另外，通过表面修饰虽可以有效提高富锂材料首次库仑效率及倍率性能、稳定循环容量，但由于材料体相结构变化所引起的工作电压衰退并不能通过包覆处理实现有效的改善。　　基于以上问题，本论文提出采用M-O键键能更高的Ti取代部分锰基材料中的Mn，制备了改性的LiMn2-xTixO4(x=0，0.5，1)、Li1.2Mn0.54-xTixNi0.13Co0.13O2(x=0，0.04，0.08，0.15)以及LiMn1.5Ti0.5O4和Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2共混的系列材料，采用多种结构分析、形貌分析以及电化学研究方法等手段，对材料的结构、形貌、界面特征和电化学性能等进行了研究，深入探讨了Ti取代改善尖晶石材料和富锂材料电化学性能的原因以及材料的充放电机制。　　采用传统的固相法合成了LiMn2-xTixO4(x=0，0.5，1)尖晶石材料。材料结构和形貌分析表明，即使Ti取代比例高达过渡金属含量的50％，材料的结构和形貌也不会发生变化，但Ti取代将导致结构中Li/Mn混排程度加剧，对倍率性能产生不利的影响。电化学分析结果表明，在40 mA g-1电流密度条件下循环时，LiMn2O4、LiMn1.5Ti0.5O4和LiMnTiO4的首次容量分别为252、198和157 mAh g-1，分别相当于1.70、1.31和1.02个Li+离子嵌入材料晶格。电化学和元素价态分析结果表明，由于晶格中引入非电化学活性的Ti，Ti取代材料的充放电机制与LiMn2O4不同，充放电时不仅发生Mn4+/Mn3+的氧化还原反应，同时有Mn3+/Mn2+的氧化还原反应发生。Ti取代明显改善了尖晶石材料的循环性能，LiMn1.5Ti0.5O4和LiMnTiO4在40 mA g-1电流密度下循环80圈后容量保持率高达76％和83％，远远高于LiMn2O4的33％。同步辐射原位XRD和非原位XRD的研究发现，在深度放电时尖晶石材料LiMn2O4发生Jahn-Teller畸变效应，尖晶石的立方相结构开始向四方相结构转变，材料晶胞参数和体积变化大，导致材料在2-4.8 V循环时容量迅速衰退;而LiMn1.5Ti0.5O4在深度放电时Jahn-Teller畸变受到明显的抑制，LiMnTiO4则完全不会发生Jahn-Teller畸变，Ti取代稳定了尖晶石材料的晶格，提高了其电化学循环性能。　　通过控制材料制备过程的降温速率制备了不同的尖晶石材料LiMn2-xTixO4(x=0，0.5，1)。结构和形貌分析表明，降温速率对材料的相纯度影响较大，对材料形貌几乎没有影响。LiMn2O4在淬火条件下会产生Li2MnO3杂相，而LiMnTiO4材料以0.5和1℃/min速率降温时有TiO2杂相产生，结构分析表明该TiO2杂相由高温下进入晶格的Ti在缓慢降温时重新析出所产生，并非源自反应物中的TiO2。晶胞参数拟合、元素价态分析以及磁性分析表明，快的降温速率会使材料晶格中氧缺陷浓度提高，Mn的平均价态降低。在0.5和1℃/min降温速率下制备的LiMnTiO4可以视为对LiMn2-xTixO4(x＜1)进行了原位的TiO2包覆，与自然冷却和淬火条件得到的材料相比可以实现更稳定的循环性能。　　将可以在2-4.8 V稳定循环的高容量尖晶石材料LiMn1.5Ti0.5O4与富锂材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2进行不同比例的混合，结构和形貌分析表明，简单的机械混合不会改变材料本身的结构和形貌特征。LiMn1.5Ti0.5O4的可嵌锂特征改善了富锂材料首次不可逆容量损失大的缺点，当复合材料中含有35.7 wt％的LiMn1.5Ti0.5O4时，首次不可逆容量损失从74 mAh g-1减少至17 mAh g-1。阻抗分析表明，复合材料体系阻抗远小于纯富锂材料体系，因此复合材料的循环性能改善，在20 mA g-1电流密度下循环40圈，含35.7 wt％ LiMn1.5Ti0.5O4的材料容量保持率高达90％。电化学分析表明，得益于尖晶石材料优良的倍率性能，复合材料大电流倍率性能改善。复合材料体系的工作电压更稳定，但必须控制尖晶石材料的含量，因为过高的尖晶石含量导致复合材料工作电压过低。　　采用共沉淀-高温煅烧的方法制备了富锂材料Li1.2Mn0.54-xTixNi0.13Co0.13O2(x=0，0.04，0.08，0.15)，结构和形貌分析表明Ti取代不会改变材料的结构和形貌特征。电化学分析表明，Ti取代后富锂材料的循环性能提高，大电流下的循环性能改善效果更加明显，在200 mA g-1电流密度下经过150圈循环后，Li1.2Mn0.50Ti0.04Ni0.13Co0.13O2、 Li1.2Mn0.46Ti0.08Ni0.13Co0.13O2及Li1.2Mn0.39Ti0.15Ni0.13-Co0.13O2的容量保持率分别为61.2％、75.6％和81.3％，高于相同条件下Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料的37.1％; Ti取代抑制了富锂材料循环时层状结构向尖晶石结构的转变和电压衰退的现象，稳定的循环容量和工作电压使Ti取代富锂材料的能量密度在循环中更加稳定。对循环后的极片进行形貌和元素分布的分析表明，Ti取代材料的表面形成更加均匀的SEI膜，循环时不可溶的LiF和LixPFyOz等在电极上的沉积减少。阻抗分析表明，适量的Ti取代可以稳定材料的界面，界面膜阻抗更加稳定，并且材料总的阻抗值小，且变化程度缓和，因此提高了材料的循环稳定性。