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能源维系着人类社会的运转,原有的传统能源逐渐枯竭,人们对清洁能源的开发日益迫切。在对清洁能源的利用过程中,对可再生能源的转化以及对转化后能量形式的存储是其中重要的一环。锂离子电池作为其中一种高效的能量存储装置,自其商业化应用以来一直受到广泛关注。然而,正极材料的发展一直进展缓慢,牵制了高性能锂离子电池的开发和研究。本论文通过对比现有锂离子电池正极材料的特性与实际应用需求,以高比容量的角度出发,选取了层状富锂材料作为研究对象,着眼于解决其现存的倍率性能、循环性能、压降现象等方面的问题,系统地研究了层状富锂锰基正极材料结构设计与改性工艺。主要取得如下几个方面的研究进展和成果:通过比较不同组分构成的层状富锂材料的综合性能,确定了研究对象为Li1.2Ni0.2Mn0.6O2。采用溶胶凝胶法制备了不同组分构成的xLi2MnO3·（1–x）LiNi0.5Mn0.5O2（x=0.1-0.8）层状富锂材料,研究了Li2MnO3组分相对含量发生变化时对材料的结构与电化学性能的影响。当Li2MnO3组分含量较多时,材料为单斜与六方相互融合的层状结构;Li2MnO3组分含量较少时,材料趋向于表现为两相晶体。这一结果表明富锂材料为复合材料,而非固溶体。Li2MnO3组分赋予了富锂材料xLi2MnO3·（1–x）LiNi0.5Mn0.5O2突出的首次充电容量,并且在此后的循环过程中,活化后的Li2MnO3组分中锰元素发生4+/3+氧化还原反应,并提供相应容量,显然,这部分容量与Li2MnO3组分的含量成正比关系;然而,同时,这一组分相对含量的增加也意味着LiNi0.5Mn0.5O2组分的减少,即来自传统层状相的容量会降低。综合来看,Li2MnO3组分的变化对材料的电化学性能产生了很大的影响:在容量方面,两相相对含量相等,即x=0.5时,材料的容量最高;在循环性能方面,尽管Mn4+能够提高整体结构的稳定性,但同时,由于Li2MnO3组分活化后在循环过程会发生层状-尖晶石相相转变,引起容量与结构的衰变,权衡之下,x=0.5时材料的循环性能最佳。根据这些测试结果,我们将x=0.5时的层状富锂锰基材料作为后续研究的本体材料,写为典型的α-NaFeO2结构形式即Li1.2Ni0.2Mn0.6O2。本文比较了不同的制备工艺构建分级结构的特点,并通过分级结构设计实现了层状富锂材料的晶面调控。该章节首先比较了溶剂热法、碳酸盐共沉淀法、氢氧化物共沉淀法在构建分级结构前驱体中的优缺点。结果表明,溶剂热法在形貌控制方面具有明显优势,但前驱体的形貌无法在高温煅烧过程中得以维持;碳酸盐共沉淀法所制备的前驱体,主要为微米球,形貌较为单一;氢氧化物共沉淀制备的前驱体,其形貌在一定程度上可以调整,且能在高温下维持原有形貌,因此被选为主要的合成方法。基于氢氧化物共沉淀法,我们提出了一种合理的分级结构设计,在这种设计中,一次纳米片以径向排列的方式组装为准微米球,其表面由于一次颗粒的有序排列,由{010}晶系晶面占据;同时,我们通过简单的合成手段成功制备了符合预期的层状富锂材料。得益于{010}晶系晶面快速脱嵌锂离子的能力以及分级结构在物质传输方面的优势,这一材料表现出了卓越的倍率性能和优异的循环性能。该材料在1C、2C和5C倍率下最大放电容量分别可达230.8 mAh g-1、216.5 mA h g-1和188.2 mA h g-1。本研究首次结合了分级结构与层状结构中活性晶面的优势,在不借助其他异相结构的情况下实现了电子、离子的快速传递。这种利用分级结构设计在材料表面构建锂离子脱嵌活性晶面的方法,可视为一种提高晶体材料高能晶面的通用方法。此外,我们所提出的合成过程中的前驱体自模板法,可用于解决纳米材料合成过程中,低温维持形貌、高温提高结晶度的矛盾。通过微观结构设计改善层状富锂材料的本征性缺陷。我们提出了一种针对富锂材料的微创结构处理策略。这一设计,能够模拟电化学过程中Li2MnO3组分的活化,并通过合成工艺的调控控制过程中过渡金属离子的迁移程度。研究结果表明,当适量过渡金属离子进入锂层中,而未使主体层状结构中出现尖晶石相时,材料重构为一种锂层中植入了过渡金属离子的层状结构,我们将之类比为“疤痕组织结构”,这一结构对主体结构完成了自我修复,在提高富锂材料的循环性能、倍率性能、抑制压降现象等方面,均有良好的表现。改性后的材料,在1C、2C、5C和10C倍率下最大放电容量分别可达257.6 mAh g-1、234.3 mA h g-1、219.4 mA h g-1和195.7 mA h g-1。此外,我们所引入的促发阳离子迁移的Li2O接收层,被证实具有浸出锂离子的能力,且能作为原料与逸出的反应生成Li3PO4快离子导体膜,这一原位生长的快离子导体膜相比传统的包覆手段,与主体材料的融合度更高,在提高锂离子脱嵌的动力学特性的同时,避免了接触电阻的二次引入。结果表明,我们所提出的富锂材料的微创结构处理策略是行之有效的,并且这一策略可能激发更多先进的嵌脱锂材料的研发;尤其是,这一研究提供了一种设计新型结构的通用方法,可用于其他在应用过程中会发生有害相变的层状材料。