更新时间：2023-11-29 23:46
镍锰酸锂，是一种无机金属复合氧化物，化学式可表示为LiNi0.5Mn1.5O4，常用作锂离子电池正极材料。
尖晶石型镍锰酸锂是在尖晶石型锰酸锂基础上发展起来的，与锰酸锂一样是具有三维锂离子通道的正极材料，可逆容量为146.7mAh/g，与锰酸锂的差不多，但电压平台为4.7V左右，比锰酸锂的4V电压平台要高出15%以上，且高温下的循环稳定性也比原有的锰酸锂有了质的提升。
基于对原有尖晶石型锰酸锂性能的改善和提高方面的努力，通过适当的元素掺杂将能使材料在保持尖晶石锰酸锂基本框架结构和电化学性能优势的基础上改变锂离子的脱嵌/嵌入电位，得到一种比容量与锰酸锂相同，但电压平台比锰酸锂高15%以上的5V 级锂离子正极材料——尖晶石型镍锰酸锂；更重要的是，这种元素调整上的变化从根本上改变了材料的内在电子轨道重叠情况和表面性质，使得循环性能大幅提高，已有的实验数据表明，未经任何优化的尖晶石型镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O4）在2C倍率下循环2000 次后还有90%的容量保持率。在所有的正极材料中，也只有橄榄石系的磷酸亚铁锂能在循环寿命方面与之不相伯仲。
关于LiNi0.5Mn1.5O4材料的公开报道最早可见1964年和1966年的文献，当时G. Blasse研究了LiM0.5Mn1.5O4（M代表Cu、Zn、Ni、Mg、Fe等金属元素）系列材料的电磁性质后证实，Mn4+八面体结构要比Mn3+八面体稳定，当形成LiM0.5Mn1.5O4后，体系中铁磁性的Mn4+-O2--Mn4+转变为反磁性的Ni2+-O2--Mn4+进一步增加了材料的稳定性。
1996年，G. Li等人的研究表明，在LiMxMn2-xO4（M=Co、Cr、Ni）尖晶石固溶体体系中，即使是1/12的MnO6被其他过渡金属取代，材料在4V范围内的充放电性能也比LiMn2O4（尖晶石型锰酸锂）更好。而在当时，尖晶石型锰酸锂被认为是最有希望替代钴酸锂的锂离子电池正极材料。
1997 年，K. Amine等人和Q. Zhong等人分别独立地报道了LiNixMn2-xO4的合成及电化学性能，开创了LiNi0.5Mn1.5O4材料在锂离子电池中的应用研究。随后，Hiroo Kawai、Yi Liu、Youngjoon Shin等人先后撰文论述了高电位材料概念、产生机理及金属3d价带与O-2p价带之间的相互作用情况。 随后，国际权威期刊如《Journal Power Sources》、《Electrochemistry Communication》、《Electrochimica Acta》等相继刊登了日本、韩国、美国、中国等关于LiNi0.5Mn1.5O4材料的制备、晶体结构和电化学性能研究方面的研究文献。
在LiNi0.5Mn1.5O4材料中，Ni2+在充电过程中可以变化到Ni4+，对应两个Li+的脱嵌，根据电中性的要求，使用0.5mol的Ni2+取代量就可以使1mol LiMn2O4中Mn3+全部变成Mn4+（LiNi0.5Mn1.5O4）而不影响材料的理论比容量。如果使用其它的二价金属离子如Cu2+、Zn2+， 则其理论比容量将减少一半（ 如LiCu0.5Mn1.5O4）甚至是没有了电化学容量（如LiZn0.5Mn1.5O4），而对于三价金属离子，如Co、Cr、Fe 等就需要使用1mol 的取代量才能使Mn4+全部变成+4价（即LiCoMnO4、LiCrMnO4、LiFeMnO4），这种较大的取代量将对LiMn2O4尖晶石的结构稳定性产生明显的影响，特别是Fe3+，超过一定的掺杂量后，易导致阳离子无序化，Fe3+在锂位的占据将明显增加，对材料的容量和性能产生不良影响。
镍锰酸锂是正在开发中的具有诱人前景的锂离子电池正极材料，与钴酸锂正极材料相比，其输出电压高、成本低、环境友好；与锰酸锂正极材料相比，其在高温循环下的稳定性大大提高；与磷酸亚铁锂正极材料相比，其制备工艺简单，生产的批次稳定性好，特别是在与钛酸锂负极相匹配时，磷酸亚铁锂-钛酸锂单体电池仅有1.9V输出电压，而镍锰酸锂-钛酸锂单体电池输出电压可高达3.2V，优势非常明显。
一般认为镍锰酸锂主要应解决其生产中的规模化制备问题及应用中的高电位电解液耐受性问题。如能顺利解决上述问题，则这种具有4.7V的锂离子电池正极材料必将成为未来大型、长寿命、高安全锂电产品首选正极材料。
一般认为，计量比的LiNi0.5Mn1.5O4是一种有序型的尖晶石结构，属于P4332空间群；而非计量比的LiNi0.5Mn1.5O4−δ是一种无序型的尖晶石结构，属于Fd3m空间群。δ值从0开始增加到0.31的过程，也同时是材料结构无序化增加的过程。图1对比了两种结构类型的差别。
图2是Li+在无序型尖晶石和有序尖晶石中的扩散路径示意图：在无序尖晶石（Fd3m）中，四面体8a位置的锂可移动到16c空白位置，相应地扩散路径为8a-16c；而在有序尖晶石（P4332）中，八面体16c空位按照1:3的比例被分成八面体4a位和八面体12d位，形成的扩散路径是8c-4a和8c-12d；
通过库仑电势计算的方法比较Li+在LiNi0.5Mn1.5O4移动的定点位能，可以得到这三种扩散路径的难度从易到难依次为：8c-4a＜ 8a-16c＜ 8c-12d。由于在有序尖晶石中只有25%的最易扩散路径，因此，无序尖晶石更有利于锂离子扩散。中子衍射数据的结果也证实，锂离子的扩散速率随着δ值的增加而增加；在电子导电率方面，无序型尖晶石比有序尖晶石高了2~3 个数量级。因此，无序型尖晶石比有序尖晶石更适合在大倍率下充放电。