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第一作者：張洪允
通訊作者：董錦洋*，蘇岳鋒*，陳來*
單位：北京理工大學、北京理工大學重慶創新中心、聯想（北京）有限公司
使用設備：元能科技SPFT2000單顆粒力學性能測試系統
01 研究背景
高鎳層狀氧化物正極（LiNixCoyMn1-x-yO2， x≥0.5，NCM）因其高能量密度和低成本成為鋰離子電池的理想候選材料。然而，其在高電壓循環下存在結構失穩、鋰離子傳輸緩慢和容量衰減等問題。傳統多晶材料由于微裂紋等結構劣化導致性能衰退；而單晶材料（SCNCMs）雖可消除晶界，抑制微裂紋的產生，但大尺寸單晶合成通常需要高溫條件，易導致氧空位缺陷增加和陽離子混排等問題。更為重要的是，晶面暴露不可控性顯著影響離子傳輸動力學和機械穩定性，成為制約單晶高鎳正極材料綜合性能提升的瓶頸問題。當前研究面臨雙重挑戰：一方面需要突破單晶材料低溫合成工藝限制，另一方面亟需建立晶面調控與電化學性能的構效關系。因此，發展精準調控單晶高鎳正極晶面暴露的創新方法，對提升其綜合性能具有重要科學意義和工程價值。
02 工作簡介
近日，北京理工大學蘇岳鋒教授、陳來副教授、董錦洋博士后團隊提出一種熔鹽介導的晶面工程策略，成功制備出（104）晶面優先暴露的單晶高鎳正極材料LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2（SC-B）。通過調控熔鹽陰離子（KBr替代KCl），有助于適量增加單晶材料中（104）晶面暴露比例。（104）晶面不僅可以促進鋰離子快速擴散，還能夠抑制氧空位形成和機械應力積累。SC-B在600次循環后容量保持率可達82.11%，相較于SC-C（>65%的容量衰減）有所改善，并展現出良好的高倍率性能（10C下159.8 mAh g-1）。相關工作以"Molten-salt-mediated crystal facet engineering for high-performance single-crystal nickel-rich cathode materials in lithium-ion batteries"為題發表在國際期刊Nano Energy上。
圖1. 不同熔鹽體系下所制備的單晶材料示意圖
03 本文要點
（1）晶面熱力學調控機制
圖2. DFT理論計算結果
通過密度泛函理論計算系統揭示了晶面穩定性差異的本質機制：研究發現（104）晶面具有更高的氧空位形成能（-0.3564 eV vs（003）晶面的-1.211 eV），這一特性有效抑制了高電壓循環過程中的晶格氧損失。熔鹽體系中陰離子選擇性吸附機制的深入研究表明，Br-離子通過調控晶體生長動力學，優先促進（104）晶面暴露，而Cl?則傾向于穩定（003）晶面。Wulff構造法預測與實驗表征相結合，共同驗證了(104)-LiNiO構型（表面能1.44 J/m2）的熱力學穩定性優勢，為晶面工程提供了理論指導。
（2）結構優化與力學性能增強
圖3. 材料的形貌結構分析以及力學性能分析
材料表征結果證實SC-B晶體結構得到優化：Rietveld精修顯示SC-B材料的層間距擴大，為鋰離子傳輸提供了更順暢的擴散通道。原子力顯微鏡表明SC-B的平均楊氏模量達16.39 GPa，較SC-C（14.54 GPa）提升12.7%。使用元能科技的單顆粒力學性能測試系統（SPFT2000）進一步證實SC-B具有更高抗壓強度，這種力學性能的提升有利于電極制備過程中采用更高的壓實密度（>3.8 g cm-3）。X射線光電子能譜分析顯示SC-B表面Ni3+/Ni2+比例提高，氧空位濃度降低，從分子層面解釋了材料穩定性的增強機制。
（3）電化學動力學優化與相變抑制
圖4. 材料的電化學性能
系統的電化學性能測試揭示了SC-B良好的動力學特性：在10C高倍率條件下放電容量達159.8 mAh g-1，較SC-C（117.5 mAh g-1）提升36%。GITT測試同時證明SC-B材料的鋰離子擴散系數有所提升，證實了（104）晶面促進離子遷移的積極作用。原位XRD表征揭示了關鍵的結構演化機制：在H2→H3相變過程中，SC-B晶格收縮率相較于SC-C降低，有效緩解了c軸坍塌引發的結構退化。4.4V高電壓循環300周后，SC-B容量保持率達70.57%（136.9 mAh g-1），相較于SC-C的45.57%（85.9 mAh g-1）有所改善，體現了晶面工程對材料高電壓穩定性的改善作用。
（4）循環失效機制與應力調控
圖5. 循環后電極材料的TEM和TOF-SIMS測試結果
多尺度表征技術深入解析了循環穩定性機制：高分辨透射電鏡分析發現，SC-C循環后材料表面出現嚴重的巖鹽相，而SC-B僅形成約10 nm的表面重構層。幾何相位分析（GPA）表明SC-B相較于SC-C的應力積累降低，證實了（104）晶面暴露對機械應力的緩解作用。飛行時間二次離子質譜顯示SC-B表面副反應產物減少，晶面工程設計可以抑制表面副反應的發生。COMSOL模擬進一步驗證：SC-B中鋰離子分布均勻性提升，應力集中降低，揭示了SC-B材料優異的長循環穩定性的結構基礎。
圖6. 有限元模擬結果
04 結論
本工作通過熔鹽介導晶面工程策略，成功實現了單晶高鎳正極材料的結構優化與性能突破。所制備的SC-B材料展現出三重核心優勢：良好的倍率性能（10C容量159.8 mAh g-1）、增強的結構穩定性（平均楊氏模量16.39 GPa）以及優秀的長循環壽命（600周容量保持率82.11%）。該研究建立了晶面調控-結構穩定性-電化學性能的定量構效關系，為發展高能量密度、長壽命鋰離子電池正極材料提供了新的設計思路和技術路徑。
05 致謝
感謝國家重點研發計劃（2021YFB2401800）、國家自然科學基金（22179008, 21875022）、北京市科技新星計劃（20230484241）、中國博士后科學基金（2024M754084）以及中國博士后科學基金特別資助（GZB20230931）的資助。感謝元能科技（廈門）有限公司（IEST）的技術支持。
06 文獻詳情
Molten-salt-mediated crystal facet engineering for high-performance single-crystal nickel-rich cathode materials in lithium-ion batteriesDOI：10.1016/j.nanoen.2025.111177
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