锂离子电池具有高电压、比能量高、无记忆效应、无环境污染等特点，已经成为21世纪绿色电池的主要选择。目前商业化使用的锂离子电池正极材料LiCoO₂，由于钴储量有限，价格昂贵，毒性大，作为锂离子电池正极材料成本高和安全性问题，严重阻碍了锂离子电池的进一步发展，限制了它在更广领域的应用。迫切需要研究者开发出成本低，性能优良的锂离子电池正极材料以满足电动汽车等新兴行业的需求。本文主要研究价格低廉的尖晶石LiMn₂O₄系和性能优异的层状LiNiO₂系正极材料。通过采用新型的制备方法和元素掺杂、取代改性等手段来改善这两个系列产物的电化学性能。用XRD、SEM、TEM等表征合成产物的结构特性，结合电化学性能的结果，研究元素掺杂、取代导致的结构变化对材料电化学性能的影响。以醋酸盐为原料，通过喷雾干燥法合成了结晶好，细小、颗粒分布均匀的单相尖晶石LiMn₂O₄粉体。分析了煅烧温度和时间对LiMn₂O₄的结构、形貌和电化学性能的影响。研究表明，喷雾干燥法得到的前驱物在空气中750℃下煅烧24h，制备的LiMn₂O₄晶体生长完整，并具有最好的电化学性能。对比相同热处理条件下固相法制备的LiMn₂O₄，喷雾干燥法所制备的LiMn₂O₄颗粒分布均匀，在室温下具有更好的电化学性能，首次放电容量和高倍率放电能力都有所提高。喷雾干燥法及750℃下煅烧24h制备的LiMn₂O₄在0.1C下首次放电容量达到123mAh g^-1，2C下首次放电容量为107mAh g^-1。采用水热法一步直接制备了尖晶石LiMn₂O₄，省略了在高温下煅烧前驱物的过程。水热法直接制备的尖晶石LiMn₂O₄在0.1C下首次放电容量为121 mAh g^-1，在0.1C下经过40次循环以后，容量维持在111mAh g^-1以上。采用喷雾干燥法合成了掺杂Ni²⁺（0.01≤x≤0.06）的尖晶石LiMn_2-xNi_xO₄，研究了掺杂对尖晶石材料结构和电化学性能的影响。与未掺杂的LiMn₂O₄相比，Ni（2+）掺杂LiMn_2-xNi_xO₄中Mn的平均化合价提高，Mn³⁺数量减少，可以抑制Jahn-Teller效应和减少Mn的溶解损失。电化学测试结果表明，随着Ni含量的增加，尖晶石LiMn_2-xNi_xO₄在常温下的放电容量减小，但循环性能得到改善。Ni²⁺的取代量控制在0.1≤x≤0.5，喷雾干燥法制备了富含Ni²⁺的LiMn_2-xNi_xO₄。XRD结构分析，LiMn_2-xNi_xO₄仍为单一尖晶石结构，其晶格常数与Ni²⁺的取代量x呈线性减小的关系，晶格常数变小，晶胞收缩。同时，随着Ni²⁺的取代量x变化，LiMn_2-xNi_xO₄的电化学性能也将发生明显的变化。研究表明，随着Ni²⁺的取代量x增加，决定4V区平台容量的Mn³⁺离子数量减少，导致4V区平台的充放电容量不断减小。相应的，由于Ni²⁺／Ni⁴⁺氧化还原对数量增加，引起高电压区的充放电容量增加。各电压区间容量的变化，也同Ni离子的取代量呈线性关系。当Ni取代量达到0.5时(产物为LiMn_1.5Ni_0.5O₄)，由于存在少量的O缺失，LiMn_1.5Ni_0.5O₄中仍含有极少量的Mn³⁺离子。其充放电容量除极少量在4V区外，主要集中在高电压区。在常温下的各个充放电区域，尖晶石LiMn_1.5Ni_0.5O₄都具有很好的电化学循环性能。在3.2-4.95V间，其首次放电容量为124mAh g^-1，50次循环以后，容量仍维持在110mAh g^-1以上。对LiMn_1.5Ni_0.5O₄非原位XRD分析结果表明，该材料在此充放电电压范围内，晶体结构不发生改变，只有晶格有限的收缩与扩张。较强的Co-O键，可以加强尖晶石LiMn₂O₄结构的稳定性，从而可能提高电极的循环稳定性。将Co³⁺离子引入到LiMn_1.5Ni_0.5O₄结构中，喷雾干燥法制备了尖晶石LiMn_1.5Ni_0.5-xCo_xO₄（0.1≤x≤0.5），LiMn_1.5-xNi_0.5Co_xO₄（0.1≤x≤0.5）和LiMn_1.5-xCo_2xNi_0.5-xO₄（0.05≤x≤0.25）三个系列化合物，进一步提高5V电极材料LiMn_1.5Ni_0.5O₄的高温循环性能。通过XRD结果分析，三组材料各自都随着Co³⁺离子取代量的增加，晶格常数变小，晶格常数与Co离子呈线性减小的关系。电化学性能测试发现，Mn³⁺／Mn⁴⁺氧化还原对对应充放电过程中的4V平台，Ni²⁺／Ni⁴⁺对应4.6V平台，而Co³⁺／Co⁴⁺则对应5V以上的平台。由此得出，随着Co³⁺离子的取代，化合物中各金属元素的价态会发生变化，引起各个平台之间的变化。由于无法测试5V以上的充放电容量，各系列化合物都随着Co取代量的增加，在3.2-4.95V之间，容量发生衰减。但各系列化合物的高温循环性能得到了提高。LiMn_1.5Ni_0.5-xCo_xO₄系列中，Co³⁺数量增加，则Ni²⁺减少，而Mn³⁺增加，所以造成与Ni²⁺相关的4.6V平台的容量减少，4V区平台的容量增加。当x=0.5时，LiMn_1.5Co_0.5O₄材料在3.2-4.95V的区间，只有4V区的容量，放电容量为66mAh g^-1，高温下经过20次循环后容量几乎没有变化。在LiMn_1.5-xNi_0.5Co_xO₄系列中，Co³⁺取代Mn⁴⁺，随Co³⁺数量x的增加，Mn的化合价不变，有部分的Ni²⁺为Ni³⁺离子，同时也导致该材料在4.6V区的理论容量减小，LiMn_1.5-xNi_0.5Co_xO₄的放电容量分别是119，111，95，80和63mAh g^-1（x=0.1，0.2，0.3，0.4和0.5）。对于LiMn_1.5-xCo_2xNi_0.5-xO₄（0.05≤x≤0.25）系列，Co³⁺同时取代部分的Mn和Ni，发现Mn和Ni的化合价都不随Co³⁺数量的变化而发生改变。尖晶石结构中Mn仍为+4价，Ni仍为+2价，但数量均减少，引起4.6V区平台的容量减少。在LiMn_1.5-xNi_0.5Co_xO₄系列中，LiMn_1.35Co_0.3Ni_0.35O₄在高温下（55℃）首次放电容量为99mAh g^-1，经过20次循环以后容量仍维持在90mAh g^-1以上。本文还采用醋酸盐为原料，通过喷雾干燥法制备了层状LiNiO₂系的正极材料。将喷雾干燥法制备的前驱物在氧气中处理合成了层状LiNi_0.8Co_0.2O₂锂离子电池正极材料。所制备的材料不含别的杂质，结晶良好，颗粒尺寸在200-500 nm之间，晶体结构为层状R-3m。同空气中制备的材料相比，在氧气中制备的LiNi_0.8Co_0.2O₂具有完好的层状结构，（006）／（102）和（108）／（110）分峰明显，表征材料结构中阳离子混排特性的I（003）／I（104）比值高达1.5，说明在氧气中合成的材料具有更好的层状结构，原子的分布得当。在氧气中制备的LiNi_0.8Co_0.2O₂首次放电容量为176mAh g^-1，经过20次循环以后，容量为172mAh g^-1，循环性能良好。掺入+4价Mn离子，降低Ni离子的化合价，通过喷雾干燥法在空气中制备了层状LiNi_1／3Co_1／3Mn_1／3O₂锂离子电池正极材料。前驱物在空气中850℃煅烧24h，所合成的材料具有良好的晶体结构和微观形貌。电化学测试表明，层状LiNi_1／3Co_1／3Mn_1／3O₂在截止电压在4.8V时，首次放电容量为183mAh g^-1。截止电压在4.3V时，首次放电容量为151mAh g^-1，且具有良好的循环性能，经过10次循环后，容量保持率维持在97％以上。