橄欖石結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為一種正在電動車動力電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的正極材料。與其他的正極材料相比（如特斯拉電動車用層狀氧化物材料）相比LiFePO4具有更好的熱穩(wěn)定性、低廉的成本（因為其所含元素地球豐度較高）、無毒、較高的理論容量（170 mAh/g）。磁電化學(xué)對于對鋰電池材料是新興的研究領(lǐng)域，磁場對電化學(xué)的影響主要體現(xiàn)在質(zhì)子傳輸、電極動力學(xué)和電化沉積行為上。目前有一些相關(guān)工作通過中子散射和磁測量揭示了正極材料的磁特性，但是鮮有工作聚焦在材料磁特性和電化學(xué)性能的關(guān)系上。

圖1. LixFePO4 (0 ≤ x ≤ 1)的磁轉(zhuǎn)變溫度

最近北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒團隊用中子衍射、原子分辨率的球差電鏡、和極低穩(wěn)定磁性測量技術(shù)，對鋰電池LiFePO4正極材料在不同充放電狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)、磁特性和電化學(xué)性能進行了系統(tǒng)研究，并首次在室溫條件下（295K）發(fā)現(xiàn)了在高充電態(tài)時LixFePO4 (x ≤ 0.12)的磁有序現(xiàn)象，遠遠比比已經(jīng)報道的低溫LiFePO4 (TN =51(1) K)和FePO4 (TN = 114(1) K)的磁轉(zhuǎn)變溫度高。關(guān)于室溫磁有序的誘發(fā)原因，團隊通過Fe2+-Fe3+超交換相互作用和Fe2+-Li+反位缺陷造成的局部對稱性破缺兩方面進行了理論分析，并運用量子化學(xué)第一性原理的計算論證了室溫磁有序存在條件和相關(guān)機理。同時，團隊對磷酸鐵鋰室溫磁有序?qū)﹄姵匦阅艿挠绊戇M行了機理的分析，在室溫和更低的溫度下，磁有序形成的磁域具有很強的洛倫茲力，充放電過程中鋰離子會被禁錮在強大的磁場內(nèi)，進而影響到電化學(xué)性能（容量和充分電速度）的正常發(fā)揮。通過高分辨透射電子顯微鏡也觀測到了因為磁有序?qū)е碌?0納米左右的固溶區(qū)，這部分鋰離子很難突破磁場的作用力遷移到體相外，因此要提高磷酸鐵鋰正極材料的性能必須要有效地控制Fe2+-Li+反位缺陷的含量。

本項工作為鋰離子電池磷酸鐵鋰正極材料的制造和應(yīng)用提供了重要的指導(dǎo)，推動電池的磁電化學(xué)研究方向的加速發(fā)展，為電池材料的設(shè)計、制造和應(yīng)用提供了一個新的視角。上述研究成果發(fā)表于國際著名期刊上 (J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 4794-4799; Nature Index期刊, IF=8.709)。

圖2. 圖示高脫鋰態(tài)磷酸鐵鋰（LixFePO4 (x ≤ 0.12)）室溫磁有序現(xiàn)象的原因

該工作在新材料學(xué)院潘鋒教授、肖蔭果副教授和布魯克海文國家實驗室章煒博士后的共同指導(dǎo)下，由胡江濤博士和曾華碩士研究生合作完成，深圳生長鋰電池磷酸鐵鋰正極材料的知名企業(yè)（德方納米，上市企業(yè)）參與了合作。以上工作得到了國家材料基因組重大專項(2016YFB0700600)、國家自然科學(xué)基金(No. 21603007和51672012)的資助支持。

原標(biāo)題:新材料學(xué)院首次發(fā)現(xiàn)鋰電池材料室溫磁有序