一 “机” 双能！ALD+MLD打造锂电超级界面，成果发表于《Adv. Energy Mater》
发布日期：2026-03-23
高镍含量正极是提升锂离子电池能量密度的核心材料，却因界面副反应严重、过渡金属溶解、微裂纹扩展等问题，长期存在循环稳定性差的产业化瓶颈。美国Arradiance公司的GEMStar系列台式原子层沉积系统，以标准 ALD 核心功能为基础，支持MLD 分子层沉积功能定制升级，可实现 ALD+MLD 双模式沉积能力一体化，凭借这一核心优势助力科研人员成功攻克超高镍 NCM94 正极的界面失效难题，相关成果以Highly Stabilized Ni-Rich Cathodes Enabled by Artificially Reversing Naturally-Formed Interface为题，发表于高水平期刊Adv. Energy Mater.，为高性能、低成本锂电研发提供了全新技术路径。
GEMStar 系列作为专业的台式原子层沉积系统，标配成熟稳定的 ALD 核心功能，可实现无机材料的原子级高精度沉积。值得一提的是，定制升级 MLD 功能的 GEMStar搭载自研 pending 的双流形设计，通过两个独立加热的流形分离共反应前驱体，让沉积和薄膜生长仅发生在腔体内，而非流形管路中，从根源上避免了管路内的副反应，是目前市面上少有可沉积 ALD 和 MLD 薄膜的台式设备。同时，GEMStar 系统拥有紧凑小巧的机身设计，占用实验室空间极小，还可轻松集成至各类手套箱，成为对空气敏感的锂电材料研发的理想工具。在沉积精度上，升级 MLD 功能后的系统可通过精确控制反应循环次数，以埃（Å）到纳米（nm）级超高精度 “搭积木” 式定制薄膜厚度、成分与结构，实现从单分子层到复杂多层结构的精准构筑；在锂离子电池研发领域，可充分发挥双模沉积优势，精准构筑人工 SEI/CEI 界面、柔性缓冲 / 封装层、离子 / 电子导电层，从根源上解决电极界面不稳定、材料体积膨胀等行业痛点，有效提升电池循环寿命。这一可定制升级的 MLD 功能，让 GEMStar 系统能根据科研需求灵活拓展沉积能力，将 MLD 的技术优势转化为可落地的实验成果，为锂电界面工程研究提供了专业、灵活、高效的设备支撑。
在超高镍 NCM94 正极的研究中，科研人员直面其界面失效的核心问题，依托 GEMStar 系统的 ALD+MLD 双模式功能，设计了针对性的解决方案。如下图所示，未经修饰的超高镍NCM94正极在电池循环过程中自然形成的阴极-电解液界面（CEI）层结构。自然CEI由无机物种（如Li₂CO₃, Li₂O, LiF）和有机物种（如ROCO₂Li和聚碳酸酯物种）组成，具有内无机-外有机的分布特征，导致其机械性能脆弱，容易开裂，进而加剧副反应，阻碍电荷传输，加快主体相变坍塌。针对于此，科研人员提出一种低成本、铝基的表面化学策略，利用ALD和MLD技术，在NCM94表面构建内有机-外无机界面结构。ALD制备的外层无机Al₂O₃ 具有较高的电化学稳定性，能隔离正极活性物质与电解液的直接接触，MLD制备的内层有机alucone 有弹性和粘性，能够适应正极材料在锂离子脱嵌过程中内部应变和应力；这种人工CEI精准结合了两种材料的优点，有的放矢，提升电池循环稳定性。
作者使用兼具MLD和ALD功能的美国Arradiance公司的GEMStar系统精准实现了上述界面设计，制得IO-NCM94样品。如下图所示，一层厚度约为2 nm的薄膜均匀覆盖在正极颗粒表面，同时，TOF-SIMS深度剖面显示，AlC₂⁻ 和 AlC₂O⁻ 的信号在溅射初期较弱，随着溅射深入（进入内层）信号逐渐增强并达到最大强度，证实了人工CEI具有 “无机在外，有机在内”的层状化学分布。在经历了200次电化学循环后，再次对IO-NCM94样品进行TOF-SIMS分析。AlC₂⁻ 和 AlC₂O⁻ 的二次离子信号在循环后仍然存在，并且其深度分布趋势与循环前一致（即在内部更集中）。这证明，在外层稳定Al₂O₃的保护下，内层的alucone层在长期循环中得以完整保存，从而使内层的应变缓冲功能得以持续发挥。
此外，作者还制备了对照组II-NCM94，结构为内层无机Al₂O₃，外层有机alucone，与自然CEI类似。下图显示，对照组的表面包覆同样均匀，且用TOF-SIMS证实了其内无机-外有机的化学分布。电池循环后的TOF-SIMS分析显示，其保护层在阴极表面已不可见，表明外层有机alucone可能在循环中分解或破坏了。这进一步证明了人工CEI内有机-外无机的特定结构在电池循环稳定性中的关键作用。
作者进一步测试了综合电化学性能，如下图所示，人工CEI结构（IO-NCM94）展现出优异的循环稳定性（0.5C下200次循环后容量保持率92.7%）和倍率性能（10C下149.1 mAh g⁻¹）。同时，在成本方面，通过MLD-ALD工艺，仅增加低于0.5%的生产成本，为实现高性能低成本富镍正极提供了极具前景的路径。
Arradiance GEMStar 系列台式原子层沉积系统，以标准 ALD 功能为坚实基础，结合定制升级的MLD 气相沉积，以及系统特有的双流形设计、紧凑机身、手套箱集成能力，实现了原子/分子级精度的均匀、薄膜沉积，极大丰富了可沉积的材料类型。升级 MLD 功能后，科研人员可根据不同电极材料的核心失效机制，灵活搭配 ALD 与 MLD 沉积技术，精准设计并构筑多层复杂结构的电极表面修饰层，充分融合有机材料的柔性缓冲优势与无机材料的稳定隔离优势，针对性解决锂电研发中的各类界面难题。
此次在超高镍 NCM94 正极领域取得的研究突破，是 GEMStar 系统定制升级 MLD 功能后在锂电界面工程研究中应用的典型成功案例，充分验证了该系统标准 ALD 功能的可靠性与 MLD 定制升级功能的实用性。无论是高镍正极、硅基负极，还是锂金属负极等各类锂电材料的研发，亦或是储能、燃料电池、光伏、半导体等其他领域的薄膜制备研究，GEMStar 系统都能凭借可定制升级的 MLD 功能、标配的 ALD 核心功能，以及特殊的结构设计与沉积优势，为科研人员提供从材料设计到薄膜制备的全流程灵活解决方案，助力研发人员攻克各类材料的界面与性能难题，加速高性能、长寿命、低成本新材料的研发进程，为各行业的技术创新与产业升级持续赋能。
参考文献：
[1]. Highly Stabilized Ni-Rich Cathodes Enabled by Artificially Reversing Naturally-Formed Interface, Adv. Energy Mater. 2025, 15, 2403150
