原子级均匀混合Fe/Mn的分级结构LiMn0.6Fe0.4PO4微球提升锂离子电池稳定性研究

本刊推荐：本研究通过前驱体(Mn0.6Fe0.4)3(PO4)2·xH2O实现铁锰原子级混合，结合喷雾干燥构建分级微球结构。XAFS证实Fe-O键缩短提升结构稳定性，原位XRD揭示全固溶行为降低相界能垒。所得LiMn0.6Fe0.4PO4/C正极材料兼具高振实密度（1.28 g·ml?1）、优异倍率性能（3C下137 mAh·g?1）和长循环稳定性（800周容量保持率88.5%）。

　　

Highlight

本研究通过多策略协同改性，成功制备具有原子级Fe/Mn均匀分布的分级结构LiMn_0.6Fe_0.4PO₄/C微球。XAFS测试显示更短的Fe-O键长有利于稳定结构，原位XRD证实充放电过程中发生完全固溶行为，显著降低两相界面传输能垒。原位XAFS进一步验证过渡金属（Mn/Fe）氧化还原反应的高度可逆性，最终材料展现高振实密度（1.28 g·ml^?1）、优异倍率性能（3C下137 mAh·g^?1）和长循环寿命（800周容量保持率88.5%）。

Material Preparation

首先通过共沉淀法合成球形(Mn_0.6Fe_0.4)₃(PO₄)₂·xH₂O前驱体。将FeSO₄·7H₂O、MnSO₄·H₂O与H₃PO₄按摩尔比1.2:1.8:2配置溶液，泵入持续搅拌的反应器中，控制pH=6.5、温度85°C、搅拌速率600 rpm反应12小时。产物经洗涤干燥后与Li₃PO₄、葡萄糖通过高速湿法砂磨混合，经喷雾干燥及650°C烧结最终获得碳包覆微球。

Structures and Morphologies of LiMn_0.6Fe_0.4PO₄/C

如图1所示，通过Fe-Mn前驱体共沉淀结合砂磨喷雾干燥制备的样品标记为Precursor-LMFP，而使用分离铁锰源相同工艺获得的样品标记为Blended-LMFP。由于Fe₃(PO₄)₂与Mn₃(PO₄)₂溶度积常数（Ksp）差异显著，传统共沉淀法难以生成均匀(Mn_xFe_1-x)₃(PO₄)₂前驱体。本研究通过优化沉淀动力学，成功实现原子级Fe/Mn混合，SEM显示前驱体为直径3-5μm的规则球形，由厚度20nm的纳米片自组装形成。

Conclusion

本研究提出多策略协同改性方法，通过(Mn_0.6Fe_0.4)₃(PO₄)₂·xH₂O前驱体成功合成具有原子级Fe-Mn均匀分布、碳包覆初级粒子（~61nm）的微球形LiMn_0.6Fe_0.4PO₄/C。球形结构保持高振实密度，均匀碳包覆强化离子传输与电子电导率。Fe-Mn原子均匀扩散有效抑制锰局部富集引发的Jahn-Teller畸变，提升循环稳定性。