研究背景
在新能源汽车与储能行业对高性能锂离子电池需求日益迫切的背景下，磷酸锰铁锂（LMFP）作为兼具高能量密度与安全优势的正极材料，其技术升级已成为行业竞争的核心赛道。作为全球领先的动力电池企业，国轩高科在LMFP材料研发领域早有布局，其推出的基于LMFP为正极的启晨电芯已实现量产。近年来，国轩高科始终坚持“创新驱动”发展战略，积极与国内外高校、科研机构搭建产学研合作平台，在电池材料、电芯设计、电池系统等领域开展联合攻关，推动多项实验室技术向产业化应用转化。此次介绍的三篇代表性研究成果由国轩高科程骞总裁与华东理工大学江浩教授团队联合完成。双方经过多年合作创新，形成了从材料设计、制备工艺到性能验证的完整技术链条，攻克了LMFP材料离子扩散迟缓、结构稳定性不足等行业痛点，为下一代高性能锂离子电池的产业化应用奠定了坚实基础，彰显了校企深度融合的创新力量。
工作简介：
一、Na/Co掺杂实现LMFP材料离子/电子电导率共同提升，LMFP正极在1C下循环1000次后容量保持率高达97.1%
图1 LMFP-Co/Na的(a) SEM、(b) HRTEM和(c)元素分布图；(b)不同正极的倍率性能; (c) LMFP-Co/Na正极在1C下的循环性能
针对LMFP材料存在的电荷传输慢的问题，联合团队创新的提出了一种Na/Co双掺杂策略。研究表明，离子半径更大的Na+占据晶格中的Li+位点，可有效拓宽Li+扩散通道，从而降低离子传输阻力；而Co2+则精准占据过渡金属位点，不仅能降低带隙以提升电子电导率，还能抑制晶胞b轴过度膨胀，缩短Li+传输路径。离子与电子传输速率的同步提升，赋予了LMFP-Co/Na优异的性能。该材料在5C下的放电比容量达113.5 mAh g-1，远高于原始样品的79.5 mAh g⁻¹；同时，该材料也展现出卓越的循环稳定性，在1C下循环1000次后，容量保持率高达97.1%。
二、Mg/Ti掺杂拓宽LMFP材料Mn2+/Mn3+氧化还原平台，LMFP正极在55℃高温下循环寿命突破500次
图2 不同LMFP材料的(a)局部XRD图谱、(b)晶胞的b轴长度和(c) I(020)/I(200)数值；不同正极的(d)CV曲线、(e)常温3C和(f)高温1C下的循环性能
针对LMFP材料存在的Mn2+/Mn3+氧化还原平台易衰减的问题，联合团队开发了一种Mg/Ti双掺杂技术。借助离子半径较小的Mg2+拉长Li-O键，构建更宽阔的离子传输通道；同时利用Ti4+的晶面调控作用，诱导材料优先暴露（101）晶面。该晶面因具有更低的Li+脱嵌阻力，显著加速了电极反应动力学。XRD精修数据证实了LMFP-Mg/Ti具有最小的b轴长度。b轴的减小使Li–O键被拉长，拓宽了Li+扩散路径。此外，I(020)/I(200)比值结果说明，LMFP-Mg/Ti沿b轴生长，从而暴露了活性更高的（101）晶面。CV测试结果显示，Mg/Ti双掺杂有效缓解了LMFP的电化学极化，使Mn2+/Mn3+的氧化还原峰电位差降低了0.15V。得益于上述优点，LMFP-Mg/Ti正极表现出优异的循环稳定性。其在3C的高倍率下循环1000次后的容量保持率为94.6%；在55℃的高温下循环500次后的容量保持率为93.5%，有效解决了传统LMFP材料在高电流、高温度等严苛工况下容量快速衰减的难题。
三、阴、阳离子协同作用突破LMFP材料动力学限制，LMFP正极在10C下具有126 mAh g-1的超高放电比容量
图3 (a)改性LMFP中Li+扩散动力学突破和J-T畸变缓解示意图; (b)不同正极的倍率性能; (c)使用LMFP-B/Nb正极的全电池在3C下的循环性能
更具突破性的是，联合团队首次将姜-泰勒（J-T）畸变抑制机制引入LMFP材料设计中，提出BO3基团取代与Nb5+掺杂的协同策略。通过平面BO3基团部分取代PO4四面体，构建三维互连的Li+扩散网络，打破了LMFP材料固有的一维扩散限制；Nb5+的掺杂进一步拓宽扩散通道并提升电子导电性，同时消散高倍率工况下的机械应力。这一创新使MnO6八面体的J-T畸变抑制率达36%，因此，材料在10C超高倍率下仍能实现126 mAh g-1的可逆容量，较原始材料提升3.6倍。软包全电池在3C下循环2000次后仍保留80.2%的容量，库伦效率始终稳定在99%以上，创下行业领先水平。该研究彻底改变了LMFP材料高能量密度与高倍率性能不可兼得的行业难点。
总结：
研究成果的共性创新在于构建了“多元素精准掺杂、多维度结构调控、多机制协同作用”的LMFP材料改性范式。联合团队通过简单的溶剂热与喷雾干燥联用的制备工艺，实现了掺杂元素的均匀分布与材料形貌的精准控制。一系列先进表征技术证实，改性后的材料在晶体结构、元素分布和碳包覆均匀性等方面均表现优异，为电化学性能的全面提升提供了结构支撑。
此次校企合作的成果不仅体现在实验室水平上材料性能的突破，更具备明确的产业化前景。开发的改性LMFP材料在压实密度、加工性能等关键指标上均满足量产要求。随着技术转化的深入推进，有望使动力电池在保持高安全特性的同时，实现充电速度与循环寿命的双重提升，为新能源汽车快充技术的普及和储能系统成本的降低提供核心支撑。在全球新能源产业竞争日趋激烈的背景下，国轩高科与华东理工大学的校企协同创新模式，为行业技术升级提供了宝贵经验。
参考文献：
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.
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