第一作者：张洪允
通讯作者：董锦洋*，苏岳锋*，陈来*
单位：北京理工大学、北京理工大学重庆创新中心、联想（北京）有限公司
使用设备：元能科技SPFT2000单颗粒力学性能测试系统
01 研究背景
高镍层状氧化物正极（LiNixCoyMn1-x-yO2， x≥0.5，NCM）因其高能量密度和低成本成为锂离子电池的理想候选材料。然而，其在高电压循环下存在结构失稳、锂离子传输缓慢和容量衰减等问题。传统多晶材料由于微裂纹等结构劣化导致性能衰退；而单晶材料（SCNCMs）虽可消除晶界，抑制微裂纹的产生，但大尺寸单晶合成通常需要高温条件，易导致氧空位缺陷增加和阳离子混排等问题。更为重要的是，晶面暴露不可控性显著影响离子传输动力学和机械稳定性，成为制约单晶高镍正极材料综合性能提升的瓶颈问题。当前研究面临双重挑战：一方面需要突破单晶材料低温合成工艺限制，另一方面亟需建立晶面调控与电化学性能的构效关系。因此，发展精准调控单晶高镍正极晶面暴露的创新方法，对提升其综合性能具有重要科学意义和工程价值。
02 工作简介
近日，北京理工大学苏岳锋教授、陈来副教授、董锦洋博士后团队提出一种熔盐介导的晶面工程策略，成功制备出（104）晶面优先暴露的单晶高镍正极材料LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2（SC-B）。通过调控熔盐阴离子（KBr替代KCl），有助于适量增加单晶材料中（104）晶面暴露比例。（104）晶面不仅可以促进锂离子快速扩散，还能够抑制氧空位形成和机械应力积累。SC-B在600次循环后容量保持率可达82.11%，相较于SC-C（>65%的容量衰减）有所改善，并展现出良好的高倍率性能（10C下159.8 mAh g-1）。相关工作以"Molten-salt-mediated crystal facet engineering for high-performance single-crystal nickel-rich cathode materials in lithium-ion batteries"为题发表在国际期刊Nano Energy上。
图1. 不同熔盐体系下所制备的单晶材料示意图
03 本文要点
（1）晶面热力学调控机制
图2. DFT理论计算结果
通过密度泛函理论计算系统揭示了晶面稳定性差异的本质机制：研究发现（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），这一特性有效抑制了高电压循环过程中的晶格氧损失。熔盐体系中阴离子选择性吸附机制的深入研究表明，Br-离子通过调控晶体生长动力学，优先促进（104）晶面暴露，而Cl⁻则倾向于稳定（003）晶面。Wulff构造法预测与实验表征相结合，共同验证了(104)-LiNiO构型（表面能1.44 J/m2）的热力学稳定性优势，为晶面工程提供了理论指导。
（2）结构优化与力学性能增强
图3. 材料的形貌结构分析以及力学性能分析
材料表征结果证实SC-B晶体结构得到优化：Rietveld精修显示SC-B材料的层间距扩大，为锂离子传输提供了更顺畅的扩散通道。原子力显微镜表明SC-B的平均杨氏模量达16.39 GPa，较SC-C（14.54 GPa）提升12.7%。使用元能科技的单颗粒力学性能测试系统（SPFT2000）进一步证实SC-B具有更高抗压强度，这种力学性能的提升有利于电极制备过程中采用更高的压实密度（>3.8 g cm-3）。X射线光电子能谱分析显示SC-B表面Ni3+/Ni2+比例提高，氧空位浓度降低，从分子层面解释了材料稳定性的增强机制。
（3）电化学动力学优化与相变抑制
图4. 材料的电化学性能
系统的电化学性能测试揭示了SC-B良好的动力学特性：在10C高倍率条件下放电容量达159.8 mAh g-1，较SC-C（117.5 mAh g-1）提升36%。GITT测试同时证明SC-B材料的锂离子扩散系数有所提升，证实了（104）晶面促进离子迁移的积极作用。原位XRD表征揭示了关键的结构演化机制：在H2→H3相变过程中，SC-B晶格收缩率相较于SC-C降低，有效缓解了c轴坍塌引发的结构退化。4.4V高电压循环300周后，SC-B容量保持率达70.57%（136.9 mAh g-1），相较于SC-C的45.57%（85.9 mAh g-1）有所改善，体现了晶面工程对材料高电压稳定性的改善作用。
（4）循环失效机制与应力调控
图5. 循环后电极材料的TEM和TOF-SIMS测试结果
多尺度表征技术深入解析了循环稳定性机制：高分辨透射电镜分析发现，SC-C循环后材料表面出现严重的岩盐相，而SC-B仅形成约10 nm的表面重构层。几何相位分析（GPA）表明SC-B相较于SC-C的应力积累降低，证实了（104）晶面暴露对机械应力的缓解作用。飞行时间二次离子质谱显示SC-B表面副反应产物减少，晶面工程设计可以抑制表面副反应的发生。COMSOL模拟进一步验证：SC-B中锂离子分布均匀性提升，应力集中降低，揭示了SC-B材料优异的长循环稳定性的结构基础。
图6. 有限元模拟结果
04 结论
本工作通过熔盐介导晶面工程策略，成功实现了单晶高镍正极材料的结构优化与性能突破。所制备的SC-B材料展现出三重核心优势：良好的倍率性能（10C容量159.8 mAh g-1）、增强的结构稳定性（平均杨氏模量16.39 GPa）以及优秀的长循环寿命（600周容量保持率82.11%）。该研究建立了晶面调控-结构稳定性-电化学性能的定量构效关系，为发展高能量密度、长寿命锂离子电池正极材料提供了新的设计思路和技术路径。
05 致谢
感谢国家重点研发计划（2021YFB2401800）、国家自然科学基金（22179008, 21875022）、北京市科技新星计划（20230484241）、中国博士后科学基金（2024M754084）以及中国博士后科学基金特别资助（GZB20230931）的资助。感谢元能科技（厦门）有限公司（IEST）的技术支持。
06 文献详情
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
关于元能
元能科技是一家专注于锂离子电池检测仪器研发与生产的高新技术企业，致力于为全球新能源领域提供领先的检测解决方案与服务。
元能科技注重前沿技术研发，拥有材料、物理、化学、电化学、光学、机械、电子、计算机、人工智能等多学科多专业交叉的研发团队，围绕表征方法、设备技术、应用方案等开展自主研发，推出多款行业领先的新型仪器，获得了多项发明专利及实用新型专利，服务于全球众多材料企业、电芯企业、终端企业、科研院所、高校及政府检测单位。同时，元能科技积极推动建立行业上下游规范统一的检测方法，主导或参与制定多项国家标准、行业标准及团体标准，参与国家重点研发计划，助力新能源行业的创新与发展！