随着全球面临的环境污染和能源危机问题的日益加剧，绿色能源的开发迫在眉睫。电能是一种可以由水能、风能、太阳能等能源转化而得到的绿色能源，但是，这种转化需要相应的储能设备，电能的应用也需要相应的储存和转换方式。在众多的储能技术中，电池是一种高效、简单的储能系统。而锂离子电池具有工作电压高、比能量大、循环寿命长、无记忆效应等优点，因此，锂离子电池成为当今研究的热点。目前，锂离子电池已经在便携式电子产品上得到比较普遍的应用，随着科学技术的进步，在未来几年内，锂离子电池有着光明的应用前景，而锂离子电池的应用遇到的瓶颈之一就是正极材料的容量、倍率性能的提高和成本的降低。锂离子电池正极材料的成本占整个锂离子电池总成本的40%左右，且锂离子电池的电化学性能和安全性很大程度上取决于正极材料，因此对正极材料的研究显得尤为重要。LiFePO4是目前常用的锂离子电池正极材料之一，因为它具有较高的理论容量、较好的安全性能、较低的成本、无环境污染等特点。然而，LiFePO4正极材料的电子电导率和锂离子扩散速率比较低，针对这两个缺点，目前的学者开展的研究工作主要是围绕以下三个目标进行的：1.将材料纳米化或构建特殊的形貌，缩短锂离子和电子从内部传输到材料界面的距离，同时增大材料与电解液的接触面积；2.在材料中建立导电网络或改善材料自身的电子电导率；3.改善材料的锂离子扩散率或设法利用材料晶体结构中固有的快离子通道。本文的研究以上述目标为靶点，采用静电纺丝与热处理相结合的方法，制备LiFePO4基的纳米纤维复合正极材料。采用静电纺丝法的优势在于可以将材料纳米化，是一种获得连续纳米纤维的最直接的方法，同时，静电纺丝法可以制备具有独特网状结构和高孔隙率的非织造纤维材料，在经过热处理后可以形成独特的导电网络结构，从而提高材料的电子电导率。此外，本文在制备锂离子电池用电极片的过程中，突破了传统的方法，在不添加粘结剂的情况下，直接形成LiFePO4基的复合纳米纤维正极材料，避免了因粘结剂堵塞部分活性材料的表面微孔而引起的材料脱嵌锂离子的能力的降低，从而增加了锂离子的扩散能力。本文主要研究工作包括：1.静电纺LiFePO4前驱体-PAN纳米纤维复合材料预氧化前后的热反应机理分析，静电纺丝参数对静电纺LiFePO4前驱体-PAN纳米纤维复合材料微观形貌的影响，以及聚合物浓度和热处理工艺对LiFePO4-CNF复合正极材料的结构和性能的影响；2.多壁碳纳米管的非晶格掺杂对预氧化前后的静电纺纳米纤维复合材料的热反应机理的影响及其对LiFePO4-CNF复合正极材料的结构和性能的影响；3. Ti4+的晶格掺杂对静电纺纳米纤维复合材料的热反应过程的影响及其对LiFePO4-CNF复合正极材料的结构和性能的影响。具体内容如下：1.静电纺LiFePO4前驱体-PAN纳米纤维复合材料预氧化前后的热反应机理分析，静电纺丝参数对静电纺纳米纤维复合材料微观形貌的影响，以及聚合物浓度和热处理工艺对LiFePO4-CNF复合正极材料的结构和性能的影响。通过对静电纺LiFePO4前驱体-PAN纳米纤维复合材料预氧化前后的热反应机理的分析，确定了材料可能发生的反应方程式。通过对三种PAN质量分数（4%、6%和8%）的静电纺丝溶液，分别在不同的纺丝参数下，制备的静电纺复合材料的微观形貌的观察，确立了三种浓度的溶液分别采用的静电纺丝参数如下：纺丝电压为23kV，针头和收集装置之间的距离为15cm，当PAN的质量分数为4%时，流速为1.2mL/h；当PAN的质量分数为6%时，流速为1.1mL/h；当PAN的质量分数为8%时，流速为1mL/h。PAN质量分数的增加，可以使得静电纺纤维的团聚、串珠和粘连现象减少，纤维的平均直径变粗。通过对每一种浓度的静电纺复合材料进行不同的热处理后，制备的正极复合材料的性能测试，对热处理工艺进行了初步的探索，同时，得出了PAN浓度的选择直接影响到材料的最终性能，用PAN质量分数为8%时的静电纺丝溶液体系，制备的正极复合材料的性能最好。此外，在复合正极材料的制备过程中，热处理工艺是关键的一步，不同的热处理工艺过程会使材料的宏观、微观结构和物理、化学结构产生的一定的差别，以致影响到材料的最终性能。经过大量的基础实验和对热处理工艺条件的优化可知，当PAN的质量分数为8%时，制备的静电纺纳米纤维复合材料，在预氧化升温速率为2oC/min，预氧化温度为280oC，预氧化保温时间为4h，碳化升温速率为2oC/min，碳化温度为800oC，碳化保温时间为14h的热处理工艺条件下，制备的LiFePO4-CNF复合正极材料，在0.5C倍率下的放电比容量为146.3mA·h/g，经过100个循环后，复合材料的放电比容量的保持率也较高，同时表现出了很好的倍率性能。循环伏安测试也表明，在此热处理条件下制备的LiFePO4-CNF复合正极材料具有合理的充放电的平台电压。在对其物化特性和电化学性能研究的基础上，提出了材料的形成模型、电荷传输机理和材料的脱嵌锂模型。2.多壁碳纳米管的非晶格掺杂对预氧化前后的静电纺纳米纤维复合材料的热反应机理的影响及其对LiFePO4-CNF复合正极材料的结构和性能的影响。非晶格掺杂可以提高材料的表观导电性能，碳纳米管材料本身又具有杰出的导电性能、很大的比表面积、柔韧的纤维状形态、极稳定的化学性能和极高的载流子的运输能力，可以提供更多的通道来加速锂离子和电子的转移，因此，多壁碳纳米管的非晶格掺杂可以在一定程度上提高LiFePO4-CNF复合正极材料的电化学性能。多壁碳纳米管的掺杂对静电纺纳米纤维复合材料的热分解反应影响不大，反而为LiFePO4材料的形成提供了更多的成核中心，不仅没有影响到活性材料晶体的正常形成，还在一定程度上提高了材料的电子电导率和锂离子的扩散系数。当多壁碳纳米管的添加量为0.15wt.%时，LiFePO4-CNF-MWCNTs复合正极材料的电化学性能最好，在0.5C倍率下的放电比容量为156.7mA·h/g，并表现出了较好的循环稳定性和倍率性能。3.Ti4+的晶格掺杂对静电纺纳米纤维复合材料的热反应过程的影响及其对LiFePO4-CNF复合正极材料的结构和性能的影响。晶格掺杂可以使晶体结构产生晶格缺陷，改善晶体内部的导电性能，同时，可以为锂离子的嵌入和脱出产生更多的空间，从而促进锂离子的扩散。Ti4+的晶格掺杂没有影响到静电纺纳米纤维复合材料的宏观、微观形貌以及热处理工艺过程，也没有影响到LiFePO4材料的橄榄石晶体结构的形成，但是，其引起了LiFePO4的晶格收缩，反而提高了复合正极材料的晶体结构的稳定性，有效的提高了LiFePO4-CNF复合正极材料的电化学性能。当Ti4+的加入量为2%时，复合正极材料的电化学性能较好，且当Ti4+取代铁位时，材料表现出来的性能较好，在0.5C倍率下的放电比容量为153.5mA·h/g，并表现出了较好的循环性能和倍率性能，电化学阻抗测试结果也表明，Ti4+的加入有利于材料的电化学性能的提高。