磷铁共掺杂LiMn2 O4 材料协同磁场调控实现锂离子电池快充性能突破

针对锂离子电池(LIBs)快充过程中电极极化与枝晶生长难题，研究人员通过磷铁共掺杂LiMn2 O4 (P,Fe15 -LMO)赋予材料铁磁性，利用33 mT弱磁场实现25%容量提升，并通过EIS、AFM和COMSOL模拟揭示磁场降低电荷转移电阻(RCT )和抑制阳极枝晶的机制，为低成本高功率电池开发提供新策略。

　　

随着电动汽车和消费电子对快速充电需求的激增，锂离子电池(LIBs)的15分钟快充目标面临严峻挑战。高功率条件下，阴极材料严重极化和阳极不均匀锂沉积导致的枝晶问题成为主要瓶颈。传统解决方案需要施加高达1.8 kG的强磁场才能实现显著改善，但常用电极材料的顺磁性特性限制了技术应用潜力。

为解决这一难题，国内研究人员创新性地开发出磷铁共掺杂LiMn₂
O₄
（P,Fe₁₅
-LMO）铁磁性材料。该材料通过P在48f晶位诱导Fe³⁺
占据16c八面体位点，产生Fe³⁺
-O-(Fe³⁺
/Mn)自旋相互作用，磁化率提升至1.3688 emu mol^-1
Oe^-1
，较传统LMO材料提高120倍。在仅33 mT弱磁场作用下，该材料展现出25%的容量增益和13分钟快充能力，相关成果发表于《Next Energy》。

研究团队采用电化学阻抗谱(EIS)分析电荷转移动力学，原子力显微镜(AFM)表征电极表面形貌，并结合COMSOL Multiphysics模拟磁场分布。通过恒流充放电测试系统评估材料在2C倍率下的循环性能，使用X射线断层扫描技术重构电极三维微结构。

3.1 磁场下P,Fe₁₅
-LMO的电化学研究与失效分析
在2C倍率下，磁场使材料获得10-12 mAh g^-1
的持续容量增益。EIS显示350次循环后，磁场组电荷转移电阻(R_CT
)降至55 Ω，较对照组降低35%。AFM证实磁场使锂电极粗糙度(RMS)从54 nm降至17 nm，有效抑制枝晶形成。这种改善源于铁磁性材料放大的磁流体动力学(MHD)效应，促使Li⁺
螺旋运动并均匀分布。

3.2 P,Fe₁₅
-LMO/NMC 532混合电极性能
以2:3比例混合P,Fe₁₅
-LMO与NMC 532的电极在2C倍率下展现6-7 mAh g^-1
容量增益。500次循环后EIS表明，磁场使混合电极R_CT
显著降低，而纯NMC 532电极未见明显变化，证实性能提升源自铁磁性组分。

3.3 磁场作用机制的数值模拟
COMSOL模拟显示，P,Fe₁₅
-LMO使电极表面磁场强度较传统材料提升4.5倍。Li⁺
运动轨迹模拟揭示，铁磁性材料导致更大螺旋半径（XY面视图），带动溶剂分子形成集体旋转运动（角速度ω），使扩散层厚度δ∝ω^-1/2
减小，从而降低极化。

该研究开创性地通过元素掺杂调控电极材料本征磁性，实现弱磁场下锂离子电池性能的精准调控。铁磁性P,Fe₁₅
-LMO材料不仅将有效磁场强度提升6倍，更通过与NMC材料的兼容性为低成本高功率电池开发提供新思路。研究揭示的磁场-电极-电解质三相界面调控机制，为解决快充技术中的枝晶难题提供了物理解决方案，推动磁性功能材料在能源存储领域的应用边界。