过渡金属掺杂电解质改性研究：

针对LiPON固态薄膜电解质室温下离子电导率较低的瓶颈问题，提出过渡金属掺杂LiPON的成分设计，过渡金属多价态特性及独特电子结构促进网状交联结构形成并降低离子迁移势垒，为实现高离子电导率LiPON电解质材料开发提出开创性思路。发展新颖的材料体系并探索离子传输机理，为高离子电导率、高界面稳定性的固态电解质薄膜材料设计提供重要思路，为集成电路元件、柔性电子器件及电力驱动设备应用提供有效方案。

本团队致力于磁控溅射制备纳米薄膜技术，已掌握了完整的技术方案，在纳米薄膜制备和结构调控方面积累了丰富的经验。团队采用射频磁控溅射法已成功制备不同掺杂浓度的Mn-LiPON和Fe-LiPON固态电解质薄膜，通过控制锰和铁贴片数量、气压、功率等参数实现LiPON的结构成分调控。经掺杂改性后的LiPON电解质离子电导率最高达到1.08×10-5 S/cm，相比于原始未改性LiPON提升了一个数量级，在本领域具有极大的竞争优势。

图1 Fe-LiPON-0 (a)、Fe-LiPON-1 (b)、Fe-LiPON-2 (c)、Fe-LiPON-3 (d)和Fe-LiPON-4 (e)薄膜表面和截面FESEM图以及三维AFM图^[1]

代表性论文：

[1]. Shuyu Zhou, Ruixue Tian, Aimin Wu, Li Lin, Hao Huang*, Fast Li+ migration in LiPON electrolytes doped by multi-valent Fe ions, Journal of Energy Chemistry, 2022, 75, 349-359.

[2].  Xinyi Song, Wenhua Yu, Shuyu Zhou, Liuyang Zhao, Aikui Li, Aimin Wu, Lianchi Li, Hao Huang*, Enhancement of Mn-doped LiPON electrolyte for higher performance of all-solid-state thin film lithium battery,Materials Today Physics, 2023, 33: 101037.

[3]. 周抒予，于文华，孙闯，吴爱民，黄昊，固态薄膜电池研究进展. 硅酸盐学报，2020, 48(10): 1521-1535. 主办单位：中国硅酸盐学会

[4]. 黄昊，宋欣忆，吴爱民：一种多价态过渡金属离子掺杂 LiPON 固态薄膜电解质、制备方法及其应用：中国发明专利，CN 116053572 A，已受理

 

正极薄膜元素掺杂改性：

为了满足便携式微电子设备对高能量密度和小尺寸的可充电电池系统的需求，利用射频磁控溅射的方法，以低成本、高容量、长循环为核心，设计开发具有比容量高、高压循环稳定性好的正极薄膜材料。深入研究射频磁控溅射镀膜机理，获得正极薄膜材料均匀元素掺杂改性的技术；研究掺杂元素对正极薄膜材料的成分、结构与性能的影响。在优化工艺步骤、减少成本的基础上，实现容量高、循环好的正极薄膜材料的制备，解决目前固态薄膜电池能量密度较低的难题。

本团队通过Mg/Al共掺杂开发高压LiCoO₂正极薄膜，Mg²⁺的掺杂起到支撑作用扩大层间距，Al³⁺掺杂进一步稳定LiCoO₂结构改善了材料的高压结构稳定性。掺杂薄膜的首圈放电比容量能达50.03 μAh cm^-2 μm^-1，前100圈的容量保持率为71.06%。为了进一步提高固态薄膜电池的能量密度，研究团队利用射频磁控溅射法通过Zr/Al共掺杂改性减小了NCM811正极薄膜材料阳离子混排程度，缓解了循环过程中材料体积的变化。掺杂NCM811薄膜具有187 mAhg^-1 （60.00 μAh cm^-2 μm^-1）高比容量的同时，前100圈容量保持率达到了72%。

图1  (a)LCO和掺杂样品在3-4.5 V下的循环性能; (b) NCM811和掺杂样品在3-4.5 V下的循环性能^[1]

代表性论文：

[1]. 孙闯,黄昊,于文华,宋欣忆,李镰池,吴爱民。溅射功率对LiCoO₂薄膜结构及性能的影响研究[J]. 真空科学与技术学报, 2022, 42(5):7.