基于原子层沉积的锂离子电池硅基负极性能强化

申报人：沈睿溢申报日期：2024-11-01

基本情况

所属批次:

2025年度大学生创新创业训练计划

项目名称:

基于原子层沉积的锂离子电池硅基负极性能强化学生选题

项目类型:

创新训练项目

所属一级学科:

工学

所属二级学科:

化工与制药类

项目来源名称:

教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年半期

项目简介:

利用原子层沉积技术（ALD），在硅基负极表面形成一层或多层均匀、致密且界面结合良好的保护层，进而提高其电化学性能。

负责人曾经参与科研的情况:

无

指导教师承担科研课题情况:

1. 国家自然科学基金面上项目(22078091)，“原子层沉积膜制备过程的多尺度传递反应耦合机理研究”，2021-2024(主持)

2. 国家自然科学基金青年项目(21706066)，“中空纤维膜组件流动分布机理研究”，2018-2020(主持)

3. 上海市浦江人才计划(22PJD016)，“具有纳米深孔的12英寸晶圆的原子层沉积多尺度过程研究”，2022-2024(主持)

4. 企业委托项目，“ALD真空反应器优化与工艺开发”，2021-2022(主持)

5. 企业委托项目，“基于过程强化模拟与实验的反应器开发”，2018-2020(主持)

6. 美国能源部项目(DE-SC-0021212)，“Permeation Properties of Disordered Metal-Organic Framework Membranes Made by Vapor Phase Ligand Treatment”，2020-2023(负责ALD反应器与多尺度过程模拟技术开发)

指导教师对本项目的支持情况:

本课题组搭建了新型原子层沉积反应器，配有各类型薄膜表征系统和电池测试系统。

项目级别:

市级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	沈睿溢	化工学院	化学工程与工艺	2023	实验，PPT制作，申报书填写	第一主持人
2	李庆雪	化学与分子工程学院	应用化学	2024	实验，PPT制作，申报书填写	成员
3	吴博熙	化工学院	化学工程与工艺	2023	实验，PPT制作，申报书填写	成员
4	刘昊明	化工学院	化学工程与工艺	2023	实验，PPT制作，申报书填写	成员

指导教师

序号	教师姓名	教师账号	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	庄黎伟	08675	化工学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

作为一种有前景的二次电池，锂离子电池（LIB）因其轻质设计、高比容量和环保性而广泛应用于新能源汽车、便携式电子设备等领域。然而，LIB的容量受到电极材料的限制，目前理论比容量仅为372 mAh/g的石墨在商业应用中已达到最大值，无法满足日益增长的电极材料需求。在各种潜在的阳极材料中，硅基材料因其高理论比容量而引起了相当大的关注。Si的最大理论比容量为4200 mAh/g，为提高LIB的储能能力提供了巨大潜力。

然而，硅基阳极材料仍然需要解决各种瓶颈：首先，在锂化/脱锂过程中会出现循环性能下降和容量衰减。其次，在初始充电/放电过程中，由于体积变化，硅表面的固体电解质界面（SEI）不断形成并破裂，这不仅降低了阳极的导电性和循环稳定性，而且使活性材料表面的动态稳定性差，电池的循环性能较差。

研究内容:

主要研究内容

一、硅基负极材料的制备与表征：

1．选用高纯度硅粉，通过物理或化学方法制备纳米级硅颗粒或硅薄膜作为负极基础材料。

2．利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对硅负极材料的微观结构、形貌和组成进行表征。

二、原子层沉积（ALD）技术的选择与优化：

1．研究并选择适合硅负极表面沉积的保护层材料，如氧化铝（Al?O?）、二氧化钛（TiO?）等，这些材料能够有效缓解硅的体积膨胀。

2．优化ALD沉积工艺参数，包括沉积温度、沉积周期数、前驱体种类及浓度等，以实现沉积层的均匀性、致密性和良好的界面结合力。

三、改性硅负极的电化学性能评估：

1．组装半电池或全电池，通过恒流充放电测试、循环伏安测试（CV）、交流阻抗测试（EIS）等方法，评估改性硅负极的容量、循环稳定性、倍率性能及库仑效率等关键电化学性能指标。

2．分析改性前后硅负极的电化学性能变化，探讨沉积层对硅负极性能提升的作用机制。

国、内外研究现状和发展动态:

目前减轻使用硅基材料的电化学性能的一种方法是在硅基阳极上涂覆各种材料，这些材料可以抑制体积膨胀并防止与电解质直接接触。将特定材料（例如氧化物Al2O3，ZrO2）掺入LIB的Si阳极已成为一种流行的方法，可以减轻体积膨胀并有效防止过度SEI的形成，从而提高整体性能。

创新点与项目特色:

1．创新的硅基负极改性策略

本项目采用原子层沉积（ALD）技术对硅基负极进行表面改性，这是一种高度精确且可控的薄膜沉积技术。通过ALD技术，可以在纳米尺度上精确控制沉积层的厚度、成分和结构，从而在硅负极表面形成一层或多层均匀、致密且界面结合良好的保护层。这种创新的改性策略不仅能够有效缓解硅在充放电过程中的体积膨胀问题，还能提高硅负极的循环稳定性和倍率性能，为高性能锂离子电池的研发提供了新的思路。

2．优化的ALD沉积工艺

针对硅基负极的特性，本项目对ALD沉积工艺进行了深入研究和优化。通过调整沉积温度、沉积周期数、前驱体种类及浓度等关键参数，实现了沉积层厚度、结构和性能的精确控制。此外，还探索了不同沉积层材料（如氧化铝、二氧化钛等）对硅负极性能的影响，以筛选出最优的沉积层组合和工艺参数。这种优化的沉积工艺不仅提高了改性硅负极的电化学性能，还降低了生产成本，提高了工艺的可重复性和稳定性。

3．多尺度结构设计与性能协同提升

本项目在硅基负极的改性过程中，注重多尺度结构的设计与性能协同提升。通过纳米化、多孔化等技术手段，制备了具有高比表面积和良好导电性的硅负极材料。同时，利用ALD技术在硅负极表面沉积了均匀、致密的保护层，实现了从纳米尺度到微米尺度的结构调控。这种多尺度结构设计不仅提高了硅负极的储锂能力和循环稳定性，还促进了锂离子的快速传输和高效利用，从而实现了硅负极性能的全面提升。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

研究思路和方法

文献调研与理论分析：广泛收集国内外关于硅基负极材料、原子层沉积技术及其在锂离子电池中应用的研究文献，进行系统的文献综述，明确研究方向和目标。

实验设计与实施：基于理论分析，设计实验方案，包括硅负极材料的制备、ALD沉积工艺的优化、电化学性能的评估等。采用控制变量法，逐一探究各因素对硅负极性能的影响。

数据分析与机理探讨：利用电化学测试数据，结合材料表征结果，分析改性硅负极的性能变化规律，探讨沉积层对硅负极性能提升的作用机制。
技术优化与产业化探索：根据实验结果，优化沉积工艺参数，提高改性硅负极的电化学性能。同时，考虑生产成本和工艺兼容性，探索改性硅负极的产业化路径和策略。

预期成果

1.本项目成果将以研究报告的形式提交；

2.发表学术论文1-2篇(最好能发表一篇高水平英语论文)，专项申请1-2项；

3.研究成果可参与相关科技创新竞赛，如“挑战杯”、互联网+等竞赛，并希望成果能进行产学研结合。

项目研究进度安排:

第一阶段：

2025.3-2025.4

进行文献查阅和收集整理，查阅国内外关于锂离子电池硅基负极材料、原子层沉积（ALD）技术及其应用的相关文献、标准和专利，重点关注Si负极材料的体积膨胀问题及其解决方案，并对其中重要部分进行标注和翻译，确定研究方案，包括实验设计、材料选择（商用Fe-Si粉末和Al₂O₃涂层厚度）、设备使用及测试方法。同时参加ALD工艺模拟软件的培训，熟悉软件的基本操作和功能。

第二阶段：

2025.4-2025.6

在商用Fe-Si粉末上沉积不同厚度的Al?O?，通过原子层沉积技术（ALD）进行涂覆。测量膜厚，考察其对硅基负极电化学性能的初步影响，包括循环稳定性和首次库仑效率。

2025.6-2025.10

优化Al?O?涂层厚度及沉积参数，在Fe-Si粉末和自制硅基负极上进行多次实验。详细研究Al?O?涂层对电极体积变化的抑制效果，考察电池在长循环下的容量保持率及阻抗变化。

2025.11-2026.2

在多层共挤膜中进一步优化Al?O?涂层，研究其对锂离子电池整体性能的影响。对比有无Al?O?涂层情况下，电池的Jsc、Voc、和FF的差异，并进行电化学阻抗谱（EIS）分析。

2026.3-2026.5

继续研究和优化Al?O?涂层在不同条件下的沉积效果，探索其对硅基负极在高倍率充放电条件下的电化学性能影响。重点研究Al?O?涂层对电极表面固体电解质界面（SEI）形成和稳定性的影响。

2026.6

填写结题表、撰写研究论文和项目报告，完成答辩。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

指导教师庄黎伟所在的化工所膜科学与工程课题组，已在膜领域几十年的研究中，积累了大量经验和理论基础，具有完成本项目研究工作可以借助的技术设备。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

本项目依托化学工程联合国家重点实验室（华东理工大学），具有实施通过ALD对锂离子电池镀膜所需的实验仪器。课题组有ALD反应室、气体供应系统、温度控制系统、压力控制系统、气体处理系统以及监测和分析设备等实验设备。最后，指导教师庄黎伟长期从事ALD和锂离子电池的相关研究，承担国家自然科学基金和多项企业装备模拟开发课题，在本课题领域具备丰富的研究经验。从已具备的研究条件看，研究方案与技术路线中都没有明显不可克服的困难。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	20000.00	完成大创项目	9750.00	10250.00
1. 业务费	5000.00	如下	2250.00	2750.00
（1）计算、分析、测试费	3000.00	利用课题组原子层沉积反应器和薄膜表征系统进行实验和测试，用于探究硅基负极的电化学性能	1500.00	1500.00
（2）能源动力费	500.00	水电费用	250.00	250.00
（3）会议、差旅费	500.00	交通费用	250.00	250.00
（4）文献检索费	500.00	获取文献	250.00	250.00
（5）论文出版费	500.00	论文出版	0.00	500.00
2. 仪器设备购置费	6000.00	新型原子层沉积设备购置、其他表征测量设备的租赁	3000.00	3000.00
3. 实验装置试制费	2000.00	维护实验设施	1000.00	1000.00
4. 材料费	7000.00	实验原材料、试剂的购置	3500.00	3500.00

项目附件

申报书2025 .doc

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结束

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