高鎳含量正極是提升鋰離子電池能量密度的核心材料，卻因界面副反應(yīng)嚴(yán)重、過(guò)渡金屬溶解、微裂紋擴(kuò)展等問(wèn)題，長(zhǎng)期存在循環(huán)穩(wěn)定性差的產(chǎn)業(yè)化瓶頸。美國(guó)Arradiance公司的GEMStar系列臺(tái)式原子層沉積系統(tǒng)，以標(biāo)準(zhǔn) ALD 核心功能為基礎(chǔ)，支持MLD 分子層沉積功能定制升級(jí)，可實(shí)現(xiàn) ALD+MLD 雙模式沉積能力一體化，憑借這一核心優(yōu)勢(shì)助力科研人員成功攻克超高鎳 NCM94 正極的界面失效難題，相關(guān)成果以Highly Stabilized Ni-Rich Cathodes Enabled by Artificially Reversing Naturally-Formed Interface為題，發(fā)表于高水平期刊Adv. Energy Mater.，為高性能、低成本鋰電研發(fā)提供了全新技術(shù)路徑。

GEMStar 系列作為專業(yè)的臺(tái)式原子層沉積系統(tǒng)，標(biāo)配成熟穩(wěn)定的 ALD 核心功能，可實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)材料的原子級(jí)高精度沉積。值得一提的是，定制升級(jí) MLD 功能的 GEMStar搭載自研 pending 的雙流形設(shè)計(jì)，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立加熱的流形分離共反應(yīng)前驅(qū)體，讓沉積和薄膜生長(zhǎng)僅發(fā)生在腔體內(nèi)，而非流形管路中，從根源上避免了管路內(nèi)的副反應(yīng)，是目前市面上少有可沉積 ALD 和 MLD 薄膜的臺(tái)式設(shè)備。同時(shí)，GEMStar 系統(tǒng)擁有緊湊小巧的機(jī)身設(shè)計(jì)，占用實(shí)驗(yàn)室空間極小，還可輕松集成至各類手套箱，成為對(duì)空氣敏感的鋰電材料研發(fā)的理想工具。在沉積精度上，升級(jí) MLD 功能后的系統(tǒng)可通過(guò)精確控制反應(yīng)循環(huán)次數(shù)，以埃（?）到納米（nm）級(jí)超高精度 “搭積木" 式定制薄膜厚度、成分與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從單分子層到復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑；在鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域，可充分發(fā)揮雙模沉積優(yōu)勢(shì)，精準(zhǔn)構(gòu)筑人工 SEI/CEI 界面、柔性緩沖 / 封裝層、離子 / 電子導(dǎo)電層，從根源上解決電極界面不穩(wěn)定、材料體積膨脹等行業(yè)痛點(diǎn)，有效提升電池循環(huán)壽命。這一可定制升級(jí)的 MLD 功能，讓 GEMStar 系統(tǒng)能根據(jù)科研需求靈活拓展沉積能力，將 MLD 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為可落地的實(shí)驗(yàn)成果，為鋰電界面工程研究提供了專業(yè)、靈活、高效的設(shè)備支撐。

在超高鎳 NCM94 正極的研究中，科研人員直面其界面失效的核心問(wèn)題，依托 GEMStar 系統(tǒng)的 ALD+MLD 雙模式功能，設(shè)計(jì)了針對(duì)性的解決方案。如下圖所示，未經(jīng)修飾的超高鎳NCM94正極在電池循環(huán)過(guò)程中自然形成的陰極-電解液界面（CEI）層結(jié)構(gòu)。自然CEI由無(wú)機(jī)物種（如Li?CO?, Li?O, LiF）和有機(jī)物種（如ROCO?Li和聚碳酸酯物種）組成，具有內(nèi)無(wú)機(jī)-外有機(jī)的分布特征，導(dǎo)致其機(jī)械性能脆弱，容易開裂，進(jìn)而加劇副反應(yīng)，阻礙電荷傳輸，加快主體相變坍塌。針對(duì)于此，科研人員提出一種低成本、鋁基的表面化學(xué)策略，利用ALD和MLD技術(shù)，在NCM94表面構(gòu)建內(nèi)有機(jī)-外無(wú)機(jī)界面結(jié)構(gòu)。ALD制備的外層無(wú)機(jī)Al?O? 具有較高的電化學(xué)穩(wěn)定性，能隔離正極活性物質(zhì)與電解液的直接接觸，MLD制備的內(nèi)層有機(jī)alucone 有彈性和粘性，能夠適應(yīng)正極材料在鋰離子脫嵌過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)變和應(yīng)力；這種人工CEI精準(zhǔn)結(jié)合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，有的放矢，提升電池循環(huán)穩(wěn)定性。

作者使用兼具M(jìn)LD和ALD功能的美國(guó)Arradiance公司的GEMStar系統(tǒng)精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了上述界面設(shè)計(jì)，制得IO-NCM94樣品。如下圖所示，一層厚度約為2 nm的薄膜均勻覆蓋在正極顆粒表面，同時(shí)，TOF-SIMS深度剖面顯示，AlC?? 和 AlC?O? 的信號(hào)在濺射初期較弱，隨著濺射深入（進(jìn)入內(nèi)層）信號(hào)逐漸增強(qiáng)并達(dá)到最大強(qiáng)度，證實(shí)了人工CEI具有 “無(wú)機(jī)在外，有機(jī)在內(nèi)"的層狀化學(xué)分布。在經(jīng)歷了200次電化學(xué)循環(huán)后，再次對(duì)IO-NCM94樣品進(jìn)行TOF-SIMS分析。AlC?? 和 AlC?O? 的二次離子信號(hào)在循環(huán)后仍然存在，并且其深度分布趨勢(shì)與循環(huán)前一致（即在內(nèi)部更集中）。這證明，在外層穩(wěn)定Al?O?的保護(hù)下，內(nèi)層的alucone層在長(zhǎng)期循環(huán)中得以完整保存，從而使內(nèi)層的應(yīng)變緩沖功能得以持續(xù)發(fā)揮。

此外，作者還制備了對(duì)照組II-NCM94，結(jié)構(gòu)為內(nèi)層無(wú)機(jī)Al?O?，外層有機(jī)alucone，與自然CEI類似。下圖顯示，對(duì)照組的表面包覆同樣均勻，且用TOF-SIMS證實(shí)了其內(nèi)無(wú)機(jī)-外有機(jī)的化學(xué)分布。電池循環(huán)后的TOF-SIMS分析顯示，其保護(hù)層在陰極表面已不可見(jiàn)，表明外層有機(jī)alucone可能在循環(huán)中分解或破壞了。這進(jìn)一步證明了人工CEI內(nèi)有機(jī)-外無(wú)機(jī)的特定結(jié)構(gòu)在電池循環(huán)穩(wěn)定性中的關(guān)鍵作用。

作者進(jìn)一步測(cè)試了綜合電化學(xué)性能，如下圖所示，人工CEI結(jié)構(gòu)（IO-NCM94）展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（0.5C下200次循環(huán)后容量保持率92.7%）和倍率性能（10C下149.1 mAh g?1）。同時(shí)，在成本方面，通過(guò)MLD-ALD工藝，僅增加低于0.5%的生產(chǎn)成本，為實(shí)現(xiàn)高性能低成本富鎳正極提供了十分具有前景的路徑。

Arradiance GEMStar 系列臺(tái)式原子層沉積系統(tǒng)，以標(biāo)準(zhǔn) ALD 功能為堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，結(jié)合定制升級(jí)的MLD 氣相沉積，以及系統(tǒng)特殊的雙流形設(shè)計(jì)、緊湊機(jī)身、手套箱集成能力，實(shí)現(xiàn)了原子/分子級(jí)精度的均勻、薄膜沉積，極大豐富了可沉積的材料類型。升級(jí) MLD 功能后，科研人員可根據(jù)不同電極材料的核心失效機(jī)制，靈活搭配 ALD 與 MLD 沉積技術(shù)，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)并構(gòu)筑多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電極表面修飾層，充分融合有機(jī)材料的柔性緩沖優(yōu)勢(shì)與無(wú)機(jī)材料的穩(wěn)定隔離優(yōu)勢(shì)，針對(duì)性解決鋰電研發(fā)中的各類界面難題。

此次在超高鎳 NCM94 正極領(lǐng)域取得的研究突破，是 GEMStar 系統(tǒng)定制升級(jí) MLD 功能后在鋰電界面工程研究中應(yīng)用的典型成功案例，充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) ALD 功能的可靠性與 MLD 定制升級(jí)功能的實(shí)用性。無(wú)論是高鎳正極、硅基負(fù)極，還是鋰金屬負(fù)極等各類鋰電材料的研發(fā)，亦或是儲(chǔ)能、燃料電池、光伏、半導(dǎo)體等其他領(lǐng)域的薄膜制備研究，GEMStar 系統(tǒng)都能憑借可定制升級(jí)的 MLD 功能、標(biāo)配的 ALD 核心功能，以及特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與沉積優(yōu)勢(shì)，為科研人員提供從材料設(shè)計(jì)到薄膜制備的全流程靈活解決方案，助力研發(fā)人員攻克各類材料的界面與性能難題，加速高性能、長(zhǎng)壽命、低成本新材料的研發(fā)進(jìn)程，為各行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)持續(xù)賦能。

參考文獻(xiàn)：

[1]. Highly Stabilized Ni-Rich Cathodes Enabled by Artificially Reversing Naturally-Formed Interface, Adv. Energy Mater. 2025, 15, 2403150