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，其技術升級已成為行業(yè)競爭的核心賽道。作為全球領先的動力電池企業(yè)，國軒高科在LMFP材料研發(fā)領域早有布局，其推出的基于LMFP為正極的啟晨電芯已實現(xiàn)量產(chǎn)。近年來，國軒高科始終堅持“創(chuàng)新驅動”發(fā)展戰(zhàn)略，積極與國內(nèi)外高校、科研機構搭建產(chǎn)學研合作平臺，在電池材料、電芯設計、電池系統(tǒng)等領域開展聯(lián)合攻關，推動多項實驗室技術向產(chǎn)業(yè)化應用轉化。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江浩教授團隊聯(lián)合完成。雙方經(jīng)過多年合作創(chuàng)新，形成了從材料設計、制備工藝到性能驗證的完整技術鏈條，攻克了LMFP材料離子擴散遲緩、結構穩(wěn)定性不足等行業(yè)痛點，為下一代高性能鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化應用奠定了堅實基礎，彰顯了校企深度融合的創(chuàng)新力量。

工作簡介：

一、Na/Co摻雜實現(xiàn)LMFP材料離子/電子電導率共同提升，LMFP正極在1C下循環(huán)1000次后容量保持率高達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)合團隊創(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，可有效拓寬Li+擴散通道，從而降低離子傳輸阻力；而Co2+則精準占據(jù)過渡金屬位點，不僅能降低帶隙以提升電子電導率，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113.5 mAh g-1，遠高于原始樣品的79.5 mAh g?1；同時，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)合團隊開發(fā)了一種Mg/Ti雙摻雜技術。借助離子半徑較小的Mg2+拉長Li-O鍵，構建更寬闊的離子傳輸通道；同時利用Ti4+的晶面調控作用，誘導材料優(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動力學。XRD精修數(shù)據(jù)證實了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+擴散路徑。此外，I(020)/I(200)比值結果說明，LMFP-Mg/Ti沿b軸生長，從而暴露了活性更高的（101）晶面。CV測試結果顯示，Mg/Ti雙摻雜有效緩解了LMFP的電化學極化，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，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+擴散動力學突破和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)合團隊首次將姜-泰勒（J-T）畸變抑制機制引入LMFP材料設計中，提出BO3基團取代與Nb5+摻雜的協(xié)同策略。通過平面BO3基團部分取代PO4四面體，構建三維互連的Li+擴散網(wǎng)絡，打破了LMFP材料固有的一維擴散限制；Nb5+的摻雜進一步拓寬擴散通道并提升電子導電性，同時消散高倍率工況下的機械應力。這一創(chuàng)新使MnO6八面體的J-T畸變抑制率達36%，因此，材料在10C超高倍率下仍能實現(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。

總結：

研究成果的共性創(chuàng)新在于構建了“多元素精準摻雜、多維度結構調控、多機制協(xié)同作用”的LMFP材料改性范式。聯(lián)合團隊通過簡單的溶劑熱與噴霧干燥聯(lián)用的制備工藝，實現(xiàn)了摻雜元素的均勻分布與材料形貌的精準控制。一系列先進表征技術證實，改性后的材料在晶體結構、元素分布和碳包覆均勻性等方面均表現(xiàn)優(yōu)異，為電化學性能的全面提升提供了結構支撐。

此次校企合作的成果不僅體現(xiàn)在實驗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材料在壓實密度、加工性能等關鍵指標上均滿足量產(chǎn)要求。隨著技術轉化的深入推進，有望使動力電池在保持高安全特性的同時，實現(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的校企協(xié)同創(chuàng)新模式，為行業(yè)技術升級提供了寶貴經(jīng)驗。

參考文獻：

1.Pengxu Wang, Erdong Zhang, Yaoguo Fang, Yihong Chen, Haifeng Yu, Ya Zhang, Qian Cheng*, Hao Jiang*. Na/Co dual?doped olivine LiMn0.6Fe0.4PO4 cathode with superior reaction kinetics for Li?ion batteries. J. Solid State Electr. 28 (2024) 4303.

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.