磁控溅射制备 Zn-Ag 合金薄膜修饰复合铜箔集流体
突破无负极锂金属电池瓶颈！磁控溅射制备Zn-Ag合金薄膜，循环稳定性大幅提升
在新能源电池技术快速迭代的当下，无负极锂金属电池凭借其卓越的能量密度和低廉的制造成本，成为储能领域的研究热点。然而，纯铜集流体存在的晶格失配显著、亲锂性较差以及表面粗糙度等固有问题，导致锂沉积过程中出现不均匀现象和枝晶生长，这一技术痛点严重制约了电池的循环寿命与使用安全性，成为阻碍其商业化应用的关键障碍。
针对这一行业难题，调节锂沉积/剥离行为的核心思路聚焦于构建亲锂界面或功能涂层。近期，一项创新研究采用高效的磁控溅射技术，在复合铜箔集流体表面共沉积了一层均匀致密的Zn-Ag合金薄膜，通过界面工程优化，成功实现了电池性能的*提升，为无负极锂金属电池的发展提供了全新解决方案。
实验设计：精细调控制备高性能合金薄膜
铜箔预处理：筑牢基底基础
实验选用商用6μm厚铜箔作为集流体基底，单片片材尺寸为100mm×100mm×6μm。为确保后续薄膜沉积的质量与附着力，对铜箔进行了多步精细化预处理：首先将铜箔置于0.1M HNO₃溶液中超声酸洗15分钟，高效去除表面氧化层；随后依次在丙酮和乙醇中各浸泡5分钟，再于去离子水中超声清洗5分钟，彻底清除表面残留的油污、杂质等污染物；最后将处理后的铜箔置于80℃真空干燥箱中干燥2小时，得到洁净干燥的基底材料，为后续薄膜沉积创造了良好条件。
薄膜沉积：*控制合金成分与厚度
实验采用高纯Ag靶（直流，Ф60mm×60mm，纯度99.99%）和Zn靶（射频，Ф60mm×60mm，纯度99.99%）作为阴极源。沉积过程前，先将预处理后的复合铜箔固定于基片台，随后将真空腔体抽至1.0×10⁻³Pa的高真空状态，再通入30sccm的Ar气，使系统压力稳定升至5×10⁻¹Pa，为薄膜沉积提供适宜的气体环境。
沉积过程中，基片旋转速度设定为10rpm，确保薄膜沉积均匀；Zn靶射频功率固定为100W，Ag靶直流功率则分别设定为100W、120W和140W，通过共溅射15分钟，在铜箔表面获得不同成分比例的稳定Zn-Ag合金膜，对应样品分别记为ZnAg100W@Cu、ZnAg120W@Cu与ZnAg140W@Cu。
为了进行性能对比，实验还通过精确控制溅射时间（功率参数固定为Ag 100W DC，Zn 100W RF），在铜箔上单独沉积了与合金膜同等厚度的纯Zn膜和纯Ag膜，对应样品标记为Zn100W@Cu和Ag100W@Cu，为后续的电化学性能测试提供了参照基准。
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半电池测试：循环稳定性突出
半电池测试结果显示，在0.5mA cm⁻²电流密度、1mAh cm⁻²容量条件下，经过Zn-Ag合金薄膜修饰的ZnAg@Cu集流体表现出优异的循环稳定性。在长达800次的循环测试后，其平均库仑效率仍保持在98.43%的高水平，展现出极强的电荷存储与释放能力。
进一步测试表明，即使在1mA cm⁻²的更高电流密度下，ZnAg改性电极经过700次循环后，平均库仑效率依然能够维持在97.23%，这一数据充分证明了Zn-Ag合金薄膜修饰对提升电极循环稳定性的显著作用，有效解决了传统铜箔集流体锂沉积不稳定的问题。
对称电池测试：电压滞后极小
对称电池在相同测试条件下的表现同样令人瞩目。在0.5mA cm⁻²电流密度下，对称电池循环3500小时后，电压滞后仅为18mV；而在1mA cm⁻²电流密度下，循环3200小时后电压滞后也仅为24mV。如此超低的电压滞后现象，表明Zn-Ag合金薄膜修饰后的集流体能够有效降低锂沉积/剥离过程中的能量损耗，提升电池的反应动力学性能，为电池的长周期稳定运行提供了有力保障。
全电池测试：容量保持率优异
将ZnAg@Cu集流体与磷酸铁锂（LFP，LiFePO₄）正极配对组装成全电池后，在0.5C倍率下进行循环测试，结果显示，经过100次循环后，全电池的容量保持率达到92.12%。这一成绩意味着该修饰技术能够很好地适配实际电池体系，在保证高能量密度的同时，有效延长电池的使用寿命，具备极强的实际应用潜力。
机制解析：协同作用优化界面性能
为何Zn-Ag合金薄膜能够带来如此显著的性能提升？研究通过对比单金属Zn层、Ag层及裸铜基底的电化学测试结果，揭示了Zn-Ag合金层的协同增强机制。
从热力学角度来看，Zn-Ag合金的形成有效降低了锂成核的能垒，使得锂在沉积过程中更易形成均匀的沉积层，而非无序生长的枝晶。这一特性从根源上解决了锂沉积不均匀的问题，减少了枝晶对电池性能的破坏。
从动力学角度分析，Zn-Ag合金表面在循环过程中原位形成了富Li₃N/Li₂CO₃的固态电解质界面（SEI）。该SEI膜具有高导电性，能够加速锂离子的传输，同时具备良好的稳定性，能够有效抑制电解液的分解，保护电极表面结构完整。这种以无机物为主的SEI膜，为电池的超长循环稳定性奠定了坚实基础。
与单一的Zn层或Ag层相比，Zn-Ag合金层实现了热力学与动力学特性的协同优化：既降低了锂成核难度，又提升了界面传输效率和稳定性，这种协同效应是其性能优于单金属修饰层和裸铜基底的核心原因。
行业价值：为无负极锂金属电池发展赋能
无负极锂金属电池作为下一代高能量密度储能技术的重要方向，其商业化进程一直受限于循环寿命短、安全性不足等问题。本研究提出的采用磁控溅射技术制备Zn-Ag合金薄膜修饰复合铜箔集流体的方案，不仅在性能上实现了重大突破，还具备显著的产业化优势。
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磁控溅射技术本身具有低温、大面积制备、薄膜均匀性高的特点，能够满足大规模生产的需求，且制备过程易于*调控，有利于实现产品的标准化生产。同时，该技术无需复杂的工艺步骤，制造成本相对较低，具备良好的经济性。
从应用前景来看，该修饰技术不仅适用于磷酸铁锂正极体系，还可进一步拓展至其他高能量密度正极材料，为无负极锂金属电池的多元化发展提供支持。此外，该界面工程思路还可为其他金属电池（如钠金属电池、钾金属电池等）的集流体修饰提供借鉴，具有广泛的技术辐射效应。
随着新能源汽车、储能电站等领域对高能量密度、长寿命电池需求的不断增长，本研究的成果有望加速无负极锂金属电池的商业化进程，为新能源产业的发展注入新的动力。未来，通过进一步优化合金成分比例、薄膜厚度以及制备工艺参数，有望实现电池性能的进一步提升，推动无负极锂金属电池在更多领域的广泛应用。
总之，这项通过磁控溅射制备Zn-Ag合金薄膜修饰复合铜箔集流体的研究，不仅解决了无负极锂金属电池发展中的关键技术瓶颈，更提供了一种兼具高效制造与性能优化的创新方案，为高能量密度电池的研发与应用开辟了新的路径。
