固態(tài)離子電池通過使用鎂金屬負極以及用固態(tài)電解質替代有機液態(tài)電解質，可以提升電池的容量、安全性和穩(wěn)定性。鎂金屬離子電池可以具有極高的理論體積能力密度。

近日，日本國立物質材料研究機構的Jin Su和Tohru Tsuruoka團隊，利用原子層沉積技術結合雙重氮氣等離子體增強脈沖氮化過程在低溫條件下生長氮摻雜的鎂磷氧氮固態(tài)電解質（MgPON），相關成果發(fā)表在Wiley旗下的化學領域的頂級期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上。該研究表明低溫條件下生長的鎂磷氧氮薄膜固態(tài)電解質具有更高的離子電導率，揭示了原子層沉積過程中溫度的變化對調控磷酸鹽無定型基體中化學價態(tài)和化學鍵的重要性。

現有的原子層沉積技術氮摻雜過程需要在氮氣等離子體的高溫條件下進行，但是高溫環(huán)境下的薄膜生長會引起電池正極和負極材料的相變和分解。雖然有研究指出低溫條件下在氨氣環(huán)境中可以實現氮摻雜的原子層沉積，但是同時會顯著增加氨氣尾氣處理的設備成本和維護難度以及安全風險。而且少量的氨氣殘余還會引入大量的雜質相。

該研究表明低溫條件下雙重氮氣等離子體增強脈沖過程在原子層沉積氮化物磷酸鹽固態(tài)電解質生長環(huán)境中非常重要。原子層沉積技術生長的的鎂磷氧氮薄膜固態(tài)電解質可以均勻而且緊密保型性的覆蓋在具有三維結構的樣品表面，從而可以作為界面保護層和潤濕層應用在鎂金屬和鋰金屬固態(tài)電池界面。鎂磷氧氮薄膜固態(tài)電解質具有無定型態(tài)特征，本體非常致密且沒有晶粒和晶界存在。

氮化物鎂磷氧氮薄膜固體電解質與磷氧化物鎂磷氧固體電解質相比，由于氮摻雜的鎂磷氧氮固體電解質具有更強的P-N共價鍵，可以減弱鎂氧原子的相互作用力，從而在鎂磷氧氮固體電解質本體內提供更大的空間和更多的離子遷移通道，促進了鎂離子的高效遷移。氮元素的引入也會提高鎂磷氧氮固體電解質的熱穩(wěn)定性。低溫條件生長的固態(tài)電解質薄膜具有包括P-N=P 和P-NP2 價鍵基團在內的更多樣性的氮結合化學鍵特征。與之相比高溫條件下生長的固態(tài)電解質薄膜則只具有P-NP2 價鍵基團。

綜上，低溫條件下生長的固態(tài)電解質薄膜可以顯示出更高的離子電導率，從而表明在原子層沉積過程中溫度的變化對調控磷酸鹽固態(tài)電解質薄膜化學價態(tài)和化學鍵的重要性。研究人員所提出的原子層沉積策略解決了目前低溫條件下原子層沉積氮摻雜的技術困境，既能生長出薄膜本體均勻而且完全保型覆蓋性的氮化物固態(tài)電解質，還可以應用在其他類型的氮摻雜原子層沉積材料中，會對未來的氮化物原子層沉積技術的發(fā)展提供了指導意見，具有非常重要的意義。

審核編輯 ：李倩