高電壓、高倍率磷酸錳鐵鋰材料探索研究

當前，磷酸鐵鋰（LFP）憑借優(yōu)異的安全性能已成為市場主流選擇，但其較低的能量密度嚴重制約了電池的能量上限。提升正極材料的電化學(xué)性能（如能量密度）已成為推動電化學(xué)工業(yè)發(fā)展及加速電動汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵問題。

磷酸錳鐵鋰（LMFP）因其能量密度比LFP高出10%~20%被認為是LFP的進階產(chǎn)品。然而，其固有的Jahn–Teller效應(yīng)引發(fā)的結(jié)構(gòu)畸變會導(dǎo)致錳溶出、電導(dǎo)率低及循環(huán)性能差等問題，嚴重制約了該材料的商業(yè)化應(yīng)用。

針對上述問題，目前的研究主要圍繞材料改性與結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大策略展開，旨在穩(wěn)定磷酸錳鐵鋰的晶體結(jié)構(gòu)、提升本征電導(dǎo)率，并最終實現(xiàn)其在高電壓、高倍率場景下的應(yīng)用。

1.表面包覆

表面包覆是抑制錳溶出、減少副反應(yīng)最直接有效的策略之一。通過構(gòu)建穩(wěn)定的包覆層（如碳包覆、金屬氧化物（如Al?O?、ZrO?）、或快離子導(dǎo)體（如LATP、LLZO）），可以有效隔絕電解液與活性材料的直接接觸，從而減輕電極-電解質(zhì)界面處的Mn²⁺溶解及由此引發(fā)的催化性副反應(yīng)。此外，精密的包覆層還能抑制充放電過程中的顆粒破裂，為電子和離子傳輸提供連續(xù)通路，進而提升倍率性能。

2.離子摻雜

離子摻雜是從原子尺度穩(wěn)定LMFP晶體結(jié)構(gòu)的根本性手段。通過引入不同價態(tài)的陽離子（如Mg2?、Al3?、Ti??、Zr??等）進行摻雜，可以部分取代晶格中的Li位或Fe/Mn位。這種操作不僅能有效抑制Jahn–Teller畸變，增強結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，還能在材料內(nèi)部創(chuàng)造更多的鋰空位或電子缺陷，顯著提高其本征電子電導(dǎo)率和鋰離子擴散系數(shù)，從而同時改善其循環(huán)壽命與倍率性能。

3.顆粒納米化

將LMFP材料制備成納米尺度的顆粒是縮短鋰離子擴散路徑、提升倍率能力的有效途徑。通過控制合成工藝（如溶劑熱法、噴霧熱解法），可以制備出球形、片狀或一維納米線等特殊形貌的材料。納米化極大地增加了比表面積，提供了更多的電化學(xué)反應(yīng)活性位點。然而，納米化也帶來了更高的表面能，可能導(dǎo)致副反應(yīng)加劇。因此，通常將納米化與表面包覆策略協(xié)同使用，在保證高倍率性能的同時維持界面的長期穩(wěn)定。

4.與高電壓電解液的適配性研究

LMFP材料的工作電壓平臺高達4.1V（vs. Li?/Li），這對傳統(tǒng)碳酸酯類電解液的抗氧化穩(wěn)定性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。電解液在高電壓下的分解是導(dǎo)致電池阻抗增長、容量衰減的重要原因。因此，開發(fā)與應(yīng)用LMFP匹配的高電壓電解液體系至關(guān)重要。

綜上所述，通過多元協(xié)同的改性策略并配套開發(fā)高電壓電解液——是攻克磷酸錳鐵鋰材料瓶頸、充分發(fā)揮其高能量密度潛力的關(guān)鍵。

2025年11月26日，中國粉體網(wǎng)將在江蘇常州舉辦“2025高壓實磷酸（錳）鐵鋰技術(shù)大會”。屆時，來自沈陽工業(yè)大學(xué)的史發(fā)年教授將作《高電壓、高倍率磷酸錳鐵鋰材料探索研究》的報告。

錳基正極材料在鋰離子電池的應(yīng)用發(fā)揮重要作用，本報告將論述磷酸錳鐵鋰正極材料的特色與應(yīng)用場景，它的優(yōu)點與存在的問題，以及解決問題的辦法。針對團隊研究的磷酸錳鐵鋰正極材料的數(shù)據(jù)結(jié)果進行陳述與分享。作為在磷酸鐵鋰基礎(chǔ)上改性的正極材料，磷酸錳鐵鋰正極材料具有更高電壓特性和更高倍率性能，需要適配高電壓穩(wěn)定的電解液。最后展望錳基電極材料具有光明的應(yīng)用前景，尤其在未來5-10年有望占領(lǐng)正極材料的主戰(zhàn)場。

專家簡介：史發(fā)年，博士，沈陽工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。中國能源學(xué)會能源與環(huán)境專業(yè)委員會委員，中國化工學(xué)會無機酸堿鹽專業(yè)委員會智庫專家委員，中國化學(xué)會高級會員。1991-1996年于中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所稀土資源利用國家重點實驗室攻讀碩士學(xué)位并直博；1997-2001年先后在南京大學(xué)配位化學(xué)國家重點實驗室從事博士后研究、南京師范大學(xué)從事教學(xué)工作；2001-2014年在葡萄牙阿威羅大學(xué)化學(xué)系作博士后和研究員。目前主要研究方向包括：金屬配合物材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、復(fù)合材料、稀土功能材料、鋰離子電池材料等的設(shè)計與改性。共發(fā)表學(xué)術(shù)論文180余篇，其中有10余篇論文進入ESI 1%高被引。積極與多家企業(yè)合作參加各種產(chǎn)學(xué)研用活動。主持國家自然科學(xué)基金面上項目、遼寧省教育廳重點項目及橫向課題等。作為大會主席多次舉辦和主持國際學(xué)術(shù)會議。于近兩年參與四項鋰離子電池材料領(lǐng)域的團體標準起草與修訂工作。

參考來源：

詹皓博等《鋰離子電池磷酸錳鐵鋰正極材料研究進展》

黃宗朋等《鋰離子電池正極材料磷酸錳鐵鋰的研究進展》

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