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項目成果/簡介:目前鋰離子電池的能量密度已經越來越不能滿足其在電動汽車、智能手機和大規模儲能方面的應用。鋰離子電池的能量密度低主要是因為所采用的正負極材料的比容量較低，尤其是負極材料石墨，其理論比容量為 372 mAh/g。目前研究最多的、最具有商業化前景的負極材料為硅基負極材料，其理論比容量為 4200 mAh/g，是石墨的十倍以上。據招商證券預計，硅基負極材料在 2020 年的市場使用量接近于 5 萬噸，銷售額接近于 50 億。 然而硅基材料在充放電過程中較大的體積變化率（>300%）限制了其商業化應用，較大的體積變化導致極片碎裂以及電解液在材料表面持續分解，從而造成其循環性能劇烈下降。另外，硅基材料為半導體，其導電性較差，從而導致硅基負極材料的倍率性能較差。如何解決硅基負極材料這兩大缺點是普及硅基材料在鋰離子電池應用的關鍵。 陳永勝教授課題組結合在納米技術和石墨烯材料領域的專長，經過近 10 幾年的研究，采用低成本的原材料、易工業化的工藝技術制備了石墨烯包覆的硅基負極材料，主要技術創新點包括：1）采用獨特的、具有自主知識產權的納米技術將大粒徑的硅粉進行納米化處理，納米化大大緩解了硅在充放電過程中體積變化的問題，從而從根本上解決了硅基負極材料循環性能差的問題；2）石墨烯包覆則充分發揮了石墨烯導電導熱性能好、機械性能優異、電化學性能穩定等特點，改善了材料的鋰離子擴散性能和電子導電性，大大提高了功率特性； 14隔絕了硅與電解液的直接接觸，抑制副反應造成的電解液分解和材料侵蝕，提高了首次效率，延緩了使用過程中的壽命衰減；進一步減緩了充放電過程中硅的體積變化，維持材料結構的整體穩定性，極大地提升了循環特性。效益分析:陳永勝教授課題組發明的石墨烯包覆硅基負極材料，從制備過程上講，具有工藝簡單、成本低廉、易工業化的特點；從性能上講，具有比容量高、穩定性好、壓實密度大等優點，與高比容量正極組成的鋰離子電池的能量密度是當前商業化鋰離子電池能量密度的數倍以上。

目前鋰離子電池的能量密度已經越來越不能滿足其在電動汽車、智能手機和大規模儲能方面的應用。鋰離子電池的能量密度低主要是因為所采用的正負極材料的比容量較低，尤其是負極材料石墨，其理論比容量為 372 mAh/g。目前研究最多的、最具有商業化前景的負極材料為硅基負極材料，其理論比容量為 4200 mAh/g，是石墨的十倍以上。據招商證券預計，硅基負極材料在 2020 年的市場使用量接近于 5 萬噸，銷售額接近于 50 億。 然而硅基材料在充放電過程中較大的體積變化率（>300%）限制了其商業化應用，較大的體積變化導致極片碎裂以及電解液在材料表面持續分解，從而造成其循環性能劇烈下降。另外，硅基材料為半導體，其導電性較差，從而導致硅基負極材料的倍率性能較差。如何解決硅基負極材料這兩大缺點是普及硅基材料在鋰離子電池應用的關鍵。 陳永勝教授課題組結合在納米技術和石墨烯材料領域的專長，經過近 10 幾年的研究，采用低成本的原材料、易工業化的工藝技術制備了石墨烯包覆的硅基負極材料，主要技術創新點包括：1）采用獨特的、具有自主知識產權的納米技術將大粒徑的硅粉進行納米化處理，納米化大大緩解了硅在充放電過程中體積變化的問題，從而從根本上解決了硅基負極材料循環性能差的問題；2）石墨烯包覆則充分發揮了石墨烯導電導熱性能好、機械性能優異、電化學性能穩定等特點，改善了材料的鋰離子擴散性能和電子導電性，大大提高了功率特性； 14隔絕了硅與電解液的直接接觸，抑制副反應造成的電解液分解和材料侵蝕，提高了首次效率，延緩了使用過程中的壽命衰減；進一步減緩了充放電過程中硅的體積變化，維持材料結構的整體穩定性，極大地提升了循環特性。

隨著支配半導體技術數十年的摩爾定律日益接近其發展極限，多種功能器件集成被認為是超越摩爾定律延續集成電路發展進程的重要途徑之一，這就需要能夠滿足多種功能器件高密度集成的制造技術。多元兼容集成制造技術就是為此而開發的，該技術通過在更大范圍內優選結構/功能材料組合，開發異質集成制造工藝，大大拓展了功能微器件創新設計和制造的騰挪空間。經過多年探索，目前已形成了涵蓋金屬、聚合物、陶瓷、復合材料的MEMS異質異構制造技術體系，并在多種類型功能器件研發中發揮了關鍵作用，初步展現了其基礎性支撐作用，相關技術獲得2016年度上海市技術發明一等獎。 微系統集成發展趨勢 多元兼容集成制造技術  獲獎情況 上海市技術發明一等獎2016年團隊獲獎 國家技術發明二等獎2008年 上海市技術發明一等獎2007年 超薄超快高熱流密度微通道散熱器 上海交通大學團隊在長期研究經驗和技術積累基礎上，創造性地提出了不同高熱導率材料組合構造的復合結構微通道散熱器設計方案，并基于多元兼容集成制造技術完成了多種尺寸樣品研制，其中，熱源面積與常用功率芯片尺度相當的超薄散熱器冷卻能力達到800W/cm2以上，在保留傳統微通道散熱器良好系統兼容性和適用性的基礎上達到了相當高的散熱能力水平，為解決高功率芯片系統超高熱流密度散熱問題提供了一個深具可行性的解決方案。 高溫薄膜溫度傳感器研究  發動機燃燒室等極端惡劣環境下（高溫、強振動、強腐蝕等）的工作參數現場監測對傳感器技術是嚴峻挑戰，國內外研究廣泛。交大團隊基于特種材料微納集成制造技術的長期積累，在高溫絕緣薄膜材料、多層薄膜應力調控、曲面圖形化和高溫敏感介質等技術上取得了一定突破，成功開發了多種可與現場結構共型的高溫薄膜傳感器，具有體積小、環境擾動小、響應快、靈敏度高、可分布式安置等優點，該團隊已經掌握了溫度、應力/應變、熱流等多種高溫狀態參數測量技術，適用溫度在800-1300℃之間。 薄膜絕緣電阻隨溫度的變化及測試結構 高溫薄膜溫度傳感器制造及曲面圖形化技術 薄膜溫度傳感器在發動機不同部位測溫需求 無線溫度傳感器測溫系統 高性能轉接板 基于轉接板的多芯片封裝是2.5D高密度集成最具可行性的方案之一。但是傳統的硅轉接板性價比不高，阻礙了廣泛應用。上海交大團隊基于非硅微加工技術的長期積累，突破了硅轉接板絕緣層完整性和再分布層熱隔離的難題，成功研制了漏電流極低的低成本高性能硅轉接板。此外，還開發了復合材料非硅轉接板，TCV陶瓷轉接板，TGV玻璃轉接板等各種三維封裝基板，實驗室能夠針對不同類型器件三維高密度封裝的具體要求，定制開發不同功能的專用轉接板，為多功能、高密度、高功率、低成本封裝提供個性化解決方案。 TSV-3D 高密度封裝概念圖  金屬-聚合物-納米復合材料非硅基轉接板實物圖片

項目成果/簡介:隨著支配半導體技術數十年的摩爾定律日益接近其發展極限，多種功能器件集成被認為是超越摩爾定律延續集成電路發展進程的重要途徑之一，這就需要能夠滿足多種功能器件高密度集成的制造技術。多元兼容集成制造技術就是為此而開發的，該技術通過在更大范圍內優選結構/功能材料組合，開發異質集成制造工藝，大大拓展了功能微器件創新設計和制造的騰挪空間。經過多年探索，目前已形成了涵蓋金屬、聚合物、陶瓷、復合材料的MEMS異質異構制造技術體系，并在多種類型功能器件研發中發揮了關鍵作用，初步展現了其基礎性支撐作用，相關技術獲得2016年度上海市技術發明一等獎。微系統集成發展趨勢多元兼容集成制造技術 獲獎情況上海市技術發明一等獎2016年團隊獲獎國家技術發明二等獎2008年上海市技術發明一等獎2007年超薄超快高熱流密度微通道散熱器上海交通大學團隊在長期研究經驗和技術積累基礎上，創造性地提出了不同高熱導率材料組合構造的復合結構微通道散熱器設計方案，并基于多元兼容集成制造技術完成了多種尺寸樣品研制，其中，熱源面積與常用功率芯片尺度相當的超薄散熱器冷卻能力達到800W/cm2以上，在保留傳統微通道散熱器良好系統兼容性和適用性的基礎上達到了相當高的散熱能力水平，為解決高功率芯片系統超高熱流密度散熱問題提供了一個深具可行性的解決方案。高溫薄膜溫度傳感器研究 發動機燃燒室等極端惡劣環境下（高溫、強振動、強腐蝕等）的工作參數現場監測對傳感器技術是嚴峻挑戰，國內外研究廣泛。交大團隊基于特種材料微納集成制造技術的長期積累，在高溫絕緣薄膜材料、多層薄膜應力調控、曲面圖形化和高溫敏感介質等技術上取得了一定突破，成功開發了多種可與現場結構共型的高溫薄膜傳感器，具有體積小、環境擾動小、響應快、靈敏度高、可分布式安置等優點，該團隊已經掌握了溫度、應力/應變、熱流等多種高溫狀態參數測量技術，適用溫度在800-1300℃之間。薄膜絕緣電阻隨溫度的變化及測試結構高溫薄膜溫度傳感器制造及曲面圖形化技術薄膜溫度傳感器在發動機不同部位測溫需求無線溫度傳感器測溫系統高性能轉接板基于轉接板的多芯片封裝是2.5D高密度集成最具可行性的方案之一。但是傳統的硅轉接板性價比不高，阻礙了廣泛應用。上海交大團隊基于非硅微加工技術的長期積累，突破了硅轉接板絕緣層完整性和再分布層熱隔離的難題，成功研制了漏電流極低的低成本高性能硅轉接板。此外，還開發了復合材料非硅轉接板，TCV陶瓷轉接板，TGV玻璃轉接板等各種三維封裝基板，實驗室能夠針對不同類型器件三維高密度封裝的具體要求，定制開發不同功能的專用轉接板，為多功能、高密度、高功率、低成本封裝提供個性化解決方案。TSV-3D 高密度封裝概念圖 金屬-聚合物-納米復合材料非硅基轉接板實物圖片知識產權類型:發明專利 、 軟件著作權 、 集成電路布圖設計技術先進程度:達到國內領先水平成果獲得方式:獨立研究獲得政府支持情況:國家級