尖晶石型结构的锂离子电池正极材料LiMn₂O₄具有高的理论比容量(148 mAh g^-1),高的工作电压,绿色环保等优点,且在充放电过程中,即离子嵌脱过程中材料的体积变化很小,结构稳定,易于得到好的循环性能,且占领了一部分市场。然而Jahn-Teller效应的发生严重制约了材料的倍率性能及循环性能,导致低的能量密度,不能进一步扩大市场。针对这一科学问题,我们通过高温固相法制备了空心的LiMn₂O₄微球及Mg、Na元素双掺杂的LiMn₂O₄正极材料,并系统研究了材料的电化学性能。我们首先采用高温固相法合成了由纳米颗粒组装而成的LiMn₂O₄空心微球。该种空心微球结构不仅增强了电解液的浸润性,还能增大材料与电解液的接触面积,加快界面反应,并且,还能够缩短锂离子在材料中的扩散距离,提高锂离子的扩散系数;同时,微球的结构缓解了电极在充放电过程中的体积变化,优化了材料的倍率性能和循环性能。结果显示,LiMn₂O₄空心微球在10 C的高倍率下还有86.3 mAh g^-1的放电比容量,而普通的锰酸锂粉末在10 C下只有73.9 mAh g^-1;并且,0.5 C倍率下,循环100次以后容量保持率为83.2%,明显优于普通的LiMn₂O₄粉末（68.5%）。其次,为了缓解LiMn₂O₄材料在充放电过程中发生的Jahn-Teller效应,提高材料的容量保持率,我们在合成过程中引入了Mg、Na元素分别取代晶格中的部分Mn元素及Li元素,制备双掺杂的LiMn₂O₄正极材料。Mg元素的引入有效缓解了Jahn-Teller效应的发生,减少了Mn³⁺的溶解,从而确保了结构的稳定性;同时,Na元素的掺杂能增大并支撑锂离子的扩散通道,加快锂离子的传输,从而改善LiMn₂O₄的循环性能。所以,Mg、Na掺杂的LiMn₂O₄正极材料Li_0.95Na_0.05Mg_0.1Mn_1.9O₄表现出了十分优异的循环性能,其放电比容量在0.2 C下为121.0 mAh g^-1,在0.5 C倍率下循环100次后,容量保持率达到了97.0%以上。最后,我们从实际应用角度出发,制备了TiO₂/C材料,以此作为负极材料,并以Li_0.95Na_0.05Mg_0.1Mn_1.9O₄为高电压正极材料来组装扣式电池,得到了工作电压为2.8 V左右的锂离子全电池,并获得了优异的电化学性能。该电池体系电压范围与现有的锂离子电池相吻合,是十分有前景的锂离子电池体系。