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随着锂离子电池应用领域的不断扩大,相关产业对其功率密度的要求也日益提高。由于正极材料的性能很大程度上决定着电池性能,因此,提高锂离子电池功率密度的关键是开发具有高的充放电电压平台、可实现大电流充放电的高功率型正极材料。锰酸锂（LiMn2O4）、镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)等尖晶石型锰系正极材料具有适合锂离子扩散的三维隧道结构,且具有原料成本低廉、工作电压高、安全环保性良好等特点,是功率型锂离子电池正极材料的首选。通过适宜方法,进一步提升其功率性能,现实意义明显。论文首先综述了提高锰系正极材料功率性能的常用方法,并以开发工艺过程简单、易于工业化生产的新型制备工艺为出发点,研究了尖晶石型LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4材料形貌、构型对电化学性能的影响,并着力解决LiNi0.5Mn1.5O4在高电压下电解液氧化分解而引起过渡金属溶解的问题。首先采用一步固相法制备五种平均粒径在200400 nm之间的亚微米LiMn2O4颗粒。结果表明,C2H2O4·2H2O和Mn（CH3COO）2·4H2O摩尔比为0.5:1时所制得的LiMn2O4产品S0.5,可最好的平衡材料扩散距离和颗粒团聚间的矛盾,且Li和Mn的混排最小,晶体具有（400）面的择优生长取向。由于（400）面是热力学最稳定面,Li+的嵌入和脱出所受到的内应力最小,所以S0.5样品具有更完整的尖晶石结构和更好的循环、倍率性能:0.2 C首次放电比容量为125.7 mAh·g-1,100个循环后容量保持率为91.4%,10 C高倍率下放电容量仍可达到80.8mAh·g-1。进一步的,用共沉淀法制备了由粒径为150 nm颗粒组成的直径为2.5μm、平均孔径为50 nm的多孔微球结构的LiMn2O4材料,与亚微米LiMn2O4材料进行对比的结果显示微球结构材料的电化学性能更优:100次循环后,多孔LiMn2O4的容量保持率提高到97.0%,10 C时的放电比容量约占0.2 C时的70.9%(S0.5样品为63.3%)。原因是多孔微球结构比表面积大,Li+活性位点多,阻抗小,Li+的迁移速率快,且能更好的承受充放电过程中由于体积变化而产生的应力。因此多孔微球化设计更有利于提高锂离子电池的功率性能。LiNi0.5Mn1.5O4材料具有更高的工作电压（4.7 V,vs.Li/Li+）而成为功率型锂离子电池的最优候选之一。采用改进固相法在不同煅烧温度下合成了不同粒径和类球形、多面体、八面体和截角八面体形貌的大颗粒LiNi0.5Mn1.5O4材料。研究表明850 oC下煅烧的材料为截角八面体结构,电化学性能最佳。原因是这一构型同时具有可稳定结构的（111）晶面和利于Li+快速传输的（100）晶面,而不含易导致Mn溶解的（110）晶面。紧接着用石墨辅助燃烧法优化了截角八面体LiNi0.5Mn1.5O4材料（111）和（100）晶面的晶面占比。借助于XRD、SEM、TEM、TG-DSC等测试方法初步推断了LiNi0.5Mn1.5O4不同晶面的生长机理和截角八面体构型的成因。电化学测试结果证明具有适中（100）和（111）晶面比例的LiNi0.5Mn1.5O4材料性能最好:1 C,5 C,10 C和20 C的放电比容量分别为123.6 mAh·g-1,104.1 mAh·g-1,89.5 mAh·g-1和84.8 mAh·g-1,0.5 C循环100次后容量保持率为91.3%。分析认为LiNi0.5Mn1.5O4在初期循环过程会与电解液形成固体电解质界面（CEI）膜,（111）面过小不能有效的抑制Mn的溶解而导致CEI膜厚而疏松引起倍率和循环性能变差;而若（100）面占比不足,则不能提供有效Li+的量,而导致倍率降低。因此在LiNi0.5Mn1.5O4由（111）面组成的正八面体顶部截取适中比例的（100）面有利于锂离子电池功率性能的提高。最后,针对5 V高电压电池中,电解液的持续氧化分解降低了电池综合性能这一问题,优选了功率型LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的适配电解液。通过在LiPF6电解液中加入质量分数为1%的LiPO2F2添加剂,改善了截角八面体LiNi0.5Mn1.5O4正极材料电池的循环性能:首次循环的库伦效率由67.4%提升至86.4%,1 C 100次循环后容量保持率由91.3%提升至96.5%。进一步用量子化学计算方法分析LiPO2F2在LiNi0.5Mn1.5O4表面的成膜机理。分析认为由于LiPO2F2的自分解反应的吉布斯自由能变更小,会优先在LiNi0.5Mn1.5O4正极表面发生自分解、水解反应而生成约50 nm的薄而致密的CEI膜,降低界面阻抗的同时还能有效减缓高电压下电解液的持续分解。用XPS对膜成分继续分析可知,添加LiPO2F2后,CEI膜主要由有机碳酸盐和无机磷酸锂组成,这些成分都有利于Li+的传输。由于同离子效应,水解所产生的Li3PO4可有效减少电极表面LiPF6的分解,从而可提高界面膜的有效性,增大LiNi0.5Mn1.5O4电池的循环稳定性。优选适配的高电压电解液成膜添加剂又为提高锰系正极材料的功率性能提供了新的解决方案。综上所述,本文分别从正极材料和电解液两个方面进行改性及相关机理的探究,从而优化了高功率型电池体系的组成。经过优化之后,所构建的电池体系在保证高倍率性能显著提升的同时,兼顾提高了循环稳定性。本论文的改性思路,为高功率型电池体系研发提供了新的研究思路和理论分析指导作用。