VPI（高真空SD-650系列磁控溅射镀膜仪）助力电池储能材料研究 技术案例

电池储能行业发展趋势：复合膜与材料密度优化

当今电池储能技术（锂离子电池、固态电池、钠离子电池等）迅猛发展，引发了一场“电池革命”。行业不断追求更高的能量密度、更长的循环寿命以及更高的安全性能，而这些进步很大程度上依赖于电池新材料的创新。高质量的薄膜电极和功能涂层在提升电池性能方面起着关键作用——例如，通过在电极表面构建复合薄膜，可以提高界面稳定性并降低副反应，从而延长电池寿命。

尤其值得关注的是复合膜材料在电池中的应用研究。复合膜将多种材料集成于微观层次，可同时发挥各组分的优势。例如，有机-无机复合薄膜既具备高导电性又兼具机械柔性，被用于改善电极性能。此外，研究人员也在探索降低材料密度的方法来优化电池性能：通过引入多孔结构或轻质材料，使电极薄膜总体密度降低，在保证活性物质作用的同时减轻重量。这种设计有望提高电池的比能量（每单位质量储能），对便携式和航空航天储能器件尤为重要。然而，材料密度降低往往伴随薄膜强度或附着力下降等挑战，需要先进工艺手段来平衡重量和结构稳定性。

VPI高真空镀膜设备性能概览

Vision Precision Instruments（简称 VPI）是一家专注于真空镀膜和材料科学仪器的高科技企业，自2004年成立以来已为全球超过3000家高校、科研机构和企业提供高质量的真空镀膜解决方案。作为国内真空镀膜行业的先行者，VPI提供多种系列产品，包括高真空磁控溅射系统、直流离子溅射仪及热蒸发镀膜仪等，能够满足多样化的材料研究需求。

VPI镀膜设备的核心性能特点：

• 超高真空腔体：采用高效真空泵系统，在数分钟内即可将真空度抽至10^-4 Pa量级，极限真空可达5×10^-5 Pa。如此高的真空环境确保了沉积过程中的纯净度，最大程度降低薄膜杂质含量，从源头上保证了薄膜质量。

• 薄膜均匀性控制：VPI系统配备旋转样品台等均匀沉积设计，利用圆形磁场磁控溅射技术，实现厚度高度一致、致密附着的镀膜。旋转基片沉积将空间非均匀性转化为时间均匀性，大幅提升了薄膜厚度分布的一致性。实际应用中可获得厚度偏差在±5%以内的均匀薄膜。

• 材料兼容性：设备同时配备直流（DC）和射频（RF）溅射电源，可兼容从导体到绝缘体的各类靶材。例如，直流溅射适用于金属等导电材料，射频溅射则可用于氧化物、氮化物等绝缘材料，从而大大拓展了可沉积薄膜材料的范围。同时，腔体设计支持安装多个靶位，实现在一次真空循环中连续镀制不同材料，为多层功能膜和复合膜的制备提供了便利。

• 多源蒸发能力：针对需要热蒸发工艺的材料，VPI的热蒸发镀膜仪提供多源蒸发配置。多个蒸发源（如钼舟、电子束蒸发坩埚等）可以顺序或同时蒸发不同材料，无需反复开闭真空即可沉积多层膜。这种设计在制备多层结构或合金薄膜时尤为实用，确保不同材料在同一真空环境下完成沉积，避免界面氧化或污染。

• 离子辅助沉积（IAD）：VPI高端镀膜系统可选配离子源，实现离子辅助沉积工艺。通过在沉积过程中引入高能离子束轰击基片，能够      “压实” 薄膜结构，获得更高密度、更低应力的膜层。离子辅助沉积所形成的致密薄膜在环境稳定性、机械耐久性等方面显著提升；同时离子束还能用于镀膜前原位清洗和表面预处理，增强薄膜与基底的结合力。

• 多源多工艺集成：VPI的部分设备将磁控溅射与热蒸发等工艺结合在一台系统中。例如VPI的SD系列既可进行溅射又可进行蒸发涂覆，在同一腔体内灵活切换工艺。

• 精密控制与安全：内置复合真空计实时监测真空度，精密阀控系统调节气体流量，保证溅射过程的稳定可控。触摸屏人机界面提供直观的参数设定与流程监控，并配有水冷循环、过压保护等安全措施，确保设备在高真空、高功率运行时的可靠性。

无论是要求高纯度致密膜的半导体研究，还是涉及多材料体系的功能复合膜开发，VPI的解决方案都以其稳定的性能和灵活的配置满足了科研需求。

应用案例：东北某工业大学 复合膜降密度 研究实践

东北某工业大学的一支新能源材料研究团队近期针对电池电极复合膜展开了一项探索：他们希望在保证电化学性能的前提下，降低电极材料的密度，以提高电池的比能量和减轻重量负担。

实验目标：传统电池电极多由高密度活性材料（如金属氧化物）制成，为了提升单位质量的储能，研究人员计划制备一种轻质复合薄膜电极。其思路是在电极活性材料中引入低密度组分（例如导电高分子、石墨烯等碳基材料），形成具有多孔骨架的复合膜，从而降低整体密度。挑战在于：如何保证降低密度的同时，薄膜的力学强度和导电性能不受严重削弱。

设备与工艺配置：东北某工业大学实验室配置的VPI系统为一台高真空镀膜设备，包含双靶磁控溅射枪，可实现多材料的连续沉积。具体实验中：

• 多靶溅射共沉积：研究人员选择了一种电极活性材料靶（例如富锂锰基氧化物）和一种轻质碳材料靶。在一次真空循环内，同时开启两枚溅射靶，以一定功率比进行共溅射。在磁场约束等离子体的作用下，两种材料原子被共沉积到基片上，直接形成均匀混合的复合薄膜。通过控制两靶的功率比和沉积速率，精确调节复合膜中轻质组分的含量，实现对薄膜密度的调控。

• 离子辅助提升致密度：由于复合膜中含有低密度组分，初始沉积的膜层可能存在局部疏松，导致附着力不足。为此，在溅射过程中引入低能离子束同步轰击生长中的薄膜。一方面，离子轰击提供额外的能量使沉积的原子在表面迁移，填充空隙，提高膜层致密度；另一方面，离子清洁作用去除了界面残余气体和杂质，增强了膜基结合。尤其是在采用直流溅射电源时，等离子中本身高能离子的轰击也有类似作用，可形成更高密度的膜并保证较强的附着力。

• 优化工艺参数与模拟指导：对工艺参数进行了系列优化和模拟校准。首先，提升溅射功率和真空抽速，以加快沉积速率，使得每层新沉积材料尽快覆盖前一层，减少在真空中停留时间，从而降低氧化发生的可能（此前采用较低沉积速率时，复合膜中的活性金属曾发生轻微氧化变色）。其次，引入理论模拟对沉积均匀性进行预测，根据模拟结果调整靶与基片之间的距离和角度，以补偿不同材料原子散射率差异对厚度分布的影响。这些措施确保了复合膜在大面积上厚度一致，成分分布均匀。

• 机械旋转与基片架改进：为了进一步提高膜层均匀性，实验更换了定制的旋转基片台。基片在沉积过程中缓缓旋转，使不同方位都能均匀接收两种溅射原子流。同时，研制了能够容纳多片基板的转架，以便一次沉积多个样品。旋转沉积有效避免了由于靶材位置和基片形状引起的阴影效应，将膜厚不均控制在了±5%以内。得到的复合膜外观均匀连贯，无肉眼可见色差，实现了预期的明亮金属光泽。

经过上述多管齐下的工艺优化，东北某工业大学团队成功制备出了符合目标的低密度复合电极薄膜：

• 密度降低效果：与未掺入轻质材料的对照薄膜相比，新型复合膜的整体密度降低了约15%。这意味着在相同厚度下，电极重量减轻了15%，为提升电池比能量打下基础。

• 薄膜微观结构：SEM显微照片显示，复合膜中轻质相均匀分散于活性材料基体中，形成了纳米多孔骨架结构。这种结构一方面减少了材料用量，另一方面为离子扩散提供了快捷通道，有利于提升电化学反应效率。

• 电化学性能提升：电池测试结果表明，应用该复合膜作为电极后，电池的单位质量容量提高了约10%，且在高倍率充放电下表现出更加稳定的容量保持率。这说明降低电极密度并未牺牲导电路径和结构稳定性，反而由于多孔结构缓冲了体积变化，循环寿命相对纯活性材料电极有所延长。

• 膜层质量与附着力：复合膜在胶带剥离测试中表现出色，未出现可见的剥落，证明了膜基结合牢固。同时，经过高温高湿环境老化后膜层无开裂或性能衰减，体现出优异的环境稳定性。这些均归功于离子辅助沉积带来的高致密度和强粘附性。

VPI的高真空镀膜技术在电池储能材料研发中展现出独特优势：

• 高品质薄膜制备：超高真空环境和先进镀膜工艺相结合，使研究人员能够制备出纯净、致密且均匀的功能薄膜。无论是电池电极涂层还是电解质保护层，VPI设备都能确保薄膜质量可控可调，为深入研究材料性能提供可靠平台。

• 多功能一体化设备：VPI提供的多源、多工艺集成方案，使复杂的复合膜制备流程在一台设备上即可完成。从磁控溅射到热蒸发、从直流到射频，再到离子辅助，多种工艺手段任意组合，满足了新材料探索中经常需要的跨学科工艺集成需求。

• 智能化和定制化：VPI设备具备优秀的可扩展性，支持软件升级和定制开发。面对AI助力材料研究的趋势，VPI已做好接口准备，方便将机器学习优化结果应用于实际工艺控制。此外，VPI的工程团队经验丰富，能够根据用户特殊需求定制靶枪尺寸、基片夹具、真空腔体等，实现针对性的技术解决方案。

• 广泛的应用验证：经过多年的发展，VPI设备在学术界和工业界均有大量成功案例支撑，涵盖能源材料、光电器件、半导体工艺、纳米材料等领域。目前全球已有数千家科研单位使用VPI产品并取得成果，这充分证明了其技术的可靠性和先进性。