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锂离子电池作为目前商业化的最高效的储能设备，已经被广泛应用于移动电子设备中，但是其能量密度还有待进一步提高。开发具有高放电容量和高电压平台的正极材料是提高锂离子电池能量密度的重要方向。 本论文旨在寻找具有高能量密度的锂离子电池正极材料。尖晶石型的LiMn2O4由于其低成本、优异的电化学性能、和良好的热稳定性等优点受到了广泛关注。但是，LiMn2O4的低能量密度的缺点限制了它的应用。用具有高电位的过渡金属离子取代部分锰可以提高材料的放电电位，从而提高材料的能量密度。在众多的掺杂衍生物中，LiNi0.5Mn1.5O4是非常有前景的高电压正极材料。它的对锂放电电位为4.7 V，能量密度比LiMn2O4高18％。而和LiNi0.5Mn1.5O4相比，用Co取代Mn得到的LiCoMnO4具有更高的放电电位(～5.0Vvs.Li/Li+)。考虑到这两种材料相近的理论容量，LiCoMnO4能提供比LiNi0.5Mn1.5O4更高的能量密度。 本论文首先合成了多孔空壳的LiCoMnO4微米球。合成的微米球表面具有多孔的结构，球内部为空壳结构。然后将LiCoMnO4微米球用作5V锂离子电池正极材料，测试了其电化学性能。多孔空壳的LiCoMnO4微米球正极材料表现出高容量，良好的循环稳定性和倍率性能。材料在1C和5C电流密度下的首周放电容量分别为115.5 mAh g-1和95.5 mAh g-1，循环60周后容量保持率分别为79.4％和52.6％。材料特殊的空壳多孔结构缩短了锂离子扩散路径，可以使材料与电解液充分接触，提高了电化学反应活性，缓解了循环中的体积膨胀并保持了材料结构的稳定性。多孔空壳结构使LiCoMnO4成为有前景的5V锂离子电池正极材料。结合未来高电压电解液的研究，LiCoMnO4材料会有更大的发展空间。 本论文通过改性的溶胶凝胶法合成了纳米截断八面体形貌的LiCoMnO4，并作为5V锂离子电池正极材料进行了测试。大量的碳片使材料能够完全生长为单晶颗粒，并且不发生团聚。详细研究了反应时间对颗粒形貌的影响。通过Ni掺杂降低了材料中Mn3+离子的含量，减少了电解液在材料表面的分解，和Mn在电解液中的溶解。LiCo0.9Ni0.1MnO4正极材料和LiCoMnO4相比具有更好的循环稳定性和高温性能。通过Ni同时取代Co2+和Mn4+离子，合成了LiCo0.95Ni0.1Mn0.95O4材料，进一步降低了Mn3+离子浓度，能够降低与电解液的副反应，Mn3+离子的Jahn-Teller畸变，和Mn离子在电解液中的溶解。但是Mn3+离子含量过低会使材料的电导率降低，不利于材料的电化学性能。随后合成了Cr，Fe，和Cu掺杂的LiCoMnO4正极材料。掺杂Cr，Fe，和Cu降低了LiCoMnO4材料的初始放电容量，但提高了材料的循环稳定性。掺杂Fe的LiCo0.9Fe0.1MnO4材料兼顾高的放电电压和良好的循环稳定性。研究结果将有助于LiCoMnO4的形貌控制和作为5V锂离子电池正极材料性能的改善。 另一方面，钒系氧化物，如V2O5，LiV3O8，和V6O13因为作为锂离子电池正极材料表现出能量密度高，成本低，资源丰富，和安全性高的优点而引起了广泛研究。V2O5嵌入3个Li+离子的理论容量为441 mAh g-1，远远高于目前商业化的正极材料，如LiCoO2和LiFePO4，使其成为很有前景的高能量密度锂离子电池正极材料。V2O5是典型的层状结构，很容易发生各种相变，当放电截止电压为2 V(vs.Li/Li+)时，根据嵌锂数量的不同会产生α，ε，δ，γ相。而当放电截止电压为1.5 V时，V2O5中嵌入第三个Li+离子，会不可逆的生成岩盐结构的ω-LixV2O5，Li+离子很难在其中传输。ω-LixV2O5会使部分Li+离子堵塞不能被脱出，在循环中产生快速的容量衰减。因此，V2O5的实际应用由于较差的结构稳定性和低的电子和离子电导率的缺陷受到了限制。本论文致力于提高钒氧化物正极材料在深度放电下的电化学性能。 本论文通过溶胶凝胶法合成了纯的和掺杂Zr的V2O5材料，材料的粒径约为200 nm，颗粒大小均一。掺杂1wt.％Zr后V2O5正极材料的放电容量提高，循环稳定性和倍率性能增强。这是由于Zr掺杂离子稳定了V2O5的层状结构，在深度放电下抑制了材料的相变，有利于Li+离子的嵌入和脱出。 本论文通过简单的溶胶凝胶法合成了Mo6V9O40纳米棒。Mo6V9O40纳米棒的形貌均一，直径为200 nm，长度为500nm到1μm。研究了Mo6V9O40纳米棒作为锂离子电池正极材料的电化学性能。Mo6V9O40材料在深度放电下表现出高的电化学稳定性。在100mA g-1电流密度下的可逆容量为276.2 mAh g-1。材料的倍率性能优异，在1A g-1的电流密度下的可逆容量为212mAh g-1，循环50周后容量保持在181.8mAh g-1。Mo6V9O40纳米棒正极材料在深度放电下良好的循环稳定性和倍率性能是由于用Mo取代V提高了材料结构的柔性，在相转变中结构更加可逆。同时，其一维棒状结构有利于Li+离子快速传输。