研究背景

在新能源汽車與儲能行業(yè)對高性能鋰離子電池需求日益迫切的背景下，磷酸錳鐵鋰（LMFP）作為兼具高能量密度與安全優(yōu)勢的正極材料，其技術(shù)升級已成為行業(yè)競爭的核心賽道。作為全球領(lǐng)先的動力電池企業(yè)，國軒高科在LMFP材料研發(fā)領(lǐng)域早有布局，其推出的基于LMFP為正極的啟晨電芯已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。近年來，國軒高科始終堅(jiān)持“創(chuàng)新驅(qū)動”發(fā)展戰(zhàn)略，積極與國內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)搭建產(chǎn)學(xué)研合作平臺，在電池材料、電芯設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)等領(lǐng)域開展聯(lián)合攻關(guān)，推動多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)化。此次介紹的三篇代表性研究成果由國軒高科程騫總裁與華東理工大學(xué)江浩教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成。雙方經(jīng)過多年合作創(chuàng)新，形成了從材料設(shè)計(jì)、制備工藝到性能驗(yàn)證的完整技術(shù)鏈條，攻克了LMFP材料離子擴(kuò)散遲緩、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足等行業(yè)痛點(diǎn)，為下一代高性能鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，彰顯了校企深度融合的創(chuàng)新力量。

工作簡介：

一、Na/Co摻雜實(shí)現(xiàn)LMFP材料離子/電子電導(dǎo)率共同提升，LMFP正極在1C下循環(huán)1000次后容量保持率高達(dá)97.1%

圖1 LMFP-Co/Na的(a) SEM、(b) HRTEM和(c)元素分布圖；(b)不同正極的倍率性能; (c) LMFP-Co/Na正極在1C下的循環(huán)性能

針對LMFP材料存在的電荷傳輸慢的問題，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新的提出了一種Na/Co雙摻雜策略。研究表明，離子半徑更大的Na+占據(jù)晶格中的Li+位點(diǎn)，可有效拓寬Li+擴(kuò)散通道，從而降低離子傳輸阻力；而Co2+則精準(zhǔn)占據(jù)過渡金屬位點(diǎn)，不僅能降低帶隙以提升電子電導(dǎo)率，還能抑制晶胞b軸過度膨脹，縮短Li+傳輸路徑。離子與電子傳輸速率的同步提升，賦予了LMFP-Co/Na優(yōu)異的性能。該材料在5C下的放電比容量達(dá)113.5 mAh g-1，遠(yuǎn)高于原始樣品的79.5 mAh g?1；同時(shí)，該材料也展現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，在1C下循環(huán)1000次后，容量保持率高達(dá)97.1%。

二、Mg/Ti摻雜拓寬LMFP材料Mn2+/Mn3+氧化還原平臺，LMFP正極在55℃高溫下循環(huán)壽命突破500次

圖2 不同LMFP材料的(a)局部XRD圖譜、(b)晶胞的b軸長度和(c) I(020)/I(200)數(shù)值；不同正極的(d)CV曲線、(e)常溫3C和(f)高溫1C下的循環(huán)性能

針對LMFP材料存在的Mn2+/Mn3+氧化還原平臺易衰減的問題，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種Mg/Ti雙摻雜技術(shù)。借助離子半徑較小的Mg2+拉長Li-O鍵，構(gòu)建更寬闊的離子傳輸通道；同時(shí)利用Ti4+的晶面調(diào)控作用，誘導(dǎo)材料優(yōu)先暴露（101）晶面。該晶面因具有更低的Li+脫嵌阻力，顯著加速了電極反應(yīng)動力學(xué)。XRD精修數(shù)據(jù)證實(shí)了LMFP-Mg/Ti具有最小的b軸長度。b軸的減小使Li–O鍵被拉長，拓寬了Li+擴(kuò)散路徑。此外，I(020)/I(200)比值結(jié)果說明，LMFP-Mg/Ti沿b軸生長，從而暴露了活性更高的（101）晶面。CV測試結(jié)果顯示，Mg/Ti雙摻雜有效緩解了LMFP的電化學(xué)極化，使Mn2+/Mn3+的氧化還原峰電位差降低了0.15V。得益于上述優(yōu)點(diǎn)，LMFP-Mg/Ti正極表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。其在3C的高倍率下循環(huán)1000次后的容量保持率為94.6%；在55℃的高溫下循環(huán)500次后的容量保持率為93.5%，有效解決了傳統(tǒng)LMFP材料在高電流、高溫度等嚴(yán)苛工況下容量快速衰減的難題。

三、陰、陽離子協(xié)同作用突破LMFP材料動力學(xué)限制，LMFP正極在10C下具有126 mAh g-1的超高放電比容量

圖3 (a)改性LMFP中Li+擴(kuò)散動力學(xué)突破和J-T畸變緩解示意圖; (b)不同正極的倍率性能; (c)使用LMFP-B/Nb正極的全電池在3C下的循環(huán)性能

更具突破性的是，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首次將姜-泰勒（J-T）畸變抑制機(jī)制引入LMFP材料設(shè)計(jì)中，提出BO3基團(tuán)取代與Nb5+摻雜的協(xié)同策略。通過平面BO3基團(tuán)部分取代PO4四面體，構(gòu)建三維互連的Li+擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)，打破了LMFP材料固有的一維擴(kuò)散限制；Nb5+的摻雜進(jìn)一步拓寬擴(kuò)散通道并提升電子導(dǎo)電性，同時(shí)消散高倍率工況下的機(jī)械應(yīng)力。這一創(chuàng)新使MnO6八面體的J-T畸變抑制率達(dá)36%，因此，材料在10C超高倍率下仍能實(shí)現(xiàn)126 mAh g-1的可逆容量，較原始材料提升3.6倍。軟包全電池在3C下循環(huán)2000次后仍保留80.2%的容量，庫倫效率始終穩(wěn)定在99%以上，創(chuàng)下行業(yè)領(lǐng)先水平。該研究徹底改變了LMFP材料高能量密度與高倍率性能不可兼得的行業(yè)難點(diǎn)。

總結(jié)：

研究成果的共性創(chuàng)新在于構(gòu)建了“多元素精準(zhǔn)摻雜、多維度結(jié)構(gòu)調(diào)控、多機(jī)制協(xié)同作用”的LMFP材料改性范式。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過簡單的溶劑熱與噴霧干燥聯(lián)用的制備工藝，實(shí)現(xiàn)了摻雜元素的均勻分布與材料形貌的精準(zhǔn)控制。一系列先進(jìn)表征技術(shù)證實(shí)，改性后的材料在晶體結(jié)構(gòu)、元素分布和碳包覆均勻性等方面均表現(xiàn)優(yōu)異，為電化學(xué)性能的全面提升提供了結(jié)構(gòu)支撐。

此次校企合作的成果不僅體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室水平上材料性能的突破，更具備明確的產(chǎn)業(yè)化前景。開發(fā)的改性LMFP材料在壓實(shí)密度、加工性能等關(guān)鍵指標(biāo)上均滿足量產(chǎn)要求。隨著技術(shù)轉(zhuǎn)化的深入推進(jìn)，有望使動力電池在保持高安全特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)充電速度與循環(huán)壽命的雙重提升，為新能源汽車快充技術(shù)的普及和儲能系統(tǒng)成本的降低提供核心支撐。在全球新能源產(chǎn)業(yè)競爭日趨激烈的背景下，國軒高科與華東理工大學(xué)的校企協(xié)同創(chuàng)新模式，為行業(yè)技術(shù)升級提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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2.Pengxu Wang, Yaoguo Fang, Erdong Zhang, Ling Chen, Haifeng Yu*, Qian Cheng*, Hao Jiang*. Broadening the Mn2+/Mn3+ redox plateau in LiMn0.6Fe0.4PO4 cathodes for high-power and long-life Li-ion batteries. J. Mater. Chem. A 13 (2025) 22155.

3.Pengxu Wang, Haifeng Yu*, Ling Chen, Yaoguo Fang, Qian Cheng*, Hao Jiang*, Chunzhong Li. Enabling ultrahigh-power-density LiMn0.6Fe0.4PO4 cathodes via kinetics limitation breakthrough and Jahn-Teller distortion mitigation. ACS Nano 20 (2026) 5309.