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高通量粉末原子層沉積技術開發高性能鋰離子電池

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引言


隨著低成本和環保能源需求的不斷增加,可充電鋰離子電池(LIB)作為可靠的儲能設備在電動汽車、便攜式電子設備和空間衛星中扮演著重要角色。電池活性組件包括正極、負極、電解質和隔膜,在鋰離子電池功能中發揮著重要作用。鋰離子電池的主要問題是充放電過程中電解質和電極材料及其成分的降解。


原子層沉積(ALD)技術可以在原子水平上沉積厚度和成分可控的均勻薄膜,能夠在活性電極和固體電解質材料的表面沉積各種金屬薄膜,以在電極界面處生成保護層。ALD 技術具有徹底改變電池行業未來的巨大潛力。


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一. ALD 以及 PALD 技術


原子層沉積技術(ALD)是一種自限制性的化學氣相沉積手段,通過將目標反應拆解為若干個半反應,實現表面涂層的原子層級厚度控制(0.1-100nm)。利用該技術制備的涂層具有共形、無針孔和均勻的特點,已被廣泛應用于微電子、光電子、催化、能源、光學涂層、抗腐蝕層、生物醫用材料等多個領域。


原子層沉積 (ALD) 技術通過將氣相前驅體連續引入表面來制造薄膜。前驅體分子在每個交替脈沖中以自限方式與表面反應,一旦基材上的所有反應位點都被利用,反應就會停止。前驅體與表面接觸的類型決定 ALD 循環是否完成。根據應用的不同,ALD 循環可以重復多次,以增加薄膜的層數。


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一般 ALD 二元反應機理示意圖


利用原子層沉積方法在粉末表面構筑涂層的方式被稱為 —— 粉末 / 顆粒原子層沉積(PALD)。使用該法可以制備金屬單質,金屬氧化物,氮化物,硫化物,磷酸鹽,多元化合物以及有機聚合物等涂層。Forge Nano 經過多年研發,已經開發出低成本的規?;訉映练e粉末包覆技術。


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PALD 技術制備的薄膜更均勻

(左:溶膠凝膠法;右:ALD)


二.  PALD 技術改進電池材料


這種被稱粉末或顆粒原子層沉積( PALD) 的技術越來越受歡迎,通過在每個微小顆粒周圍沉積金屬氧化物納米涂層,該技術已經被證明可以延長鋰離子電池的使用壽命、增加其容量并提高安全性。


促使 ALD 在鋰離子電池制造中使用增加的另一個因素是,低成本且工業化規模地在顆粒上進行 ALD 涂層包覆的納米技術的出現允許其從實驗室研究發展成為商業可行的工藝。Forge Nano 開發出可實現鋰電包覆商業化生產的 PALD 工藝。( 相關內容:6K Energy 將采用 Forge Nano 原子層沉積技術進行 NMC 811 量產!


在各種材料(包括正極、負極、SSE 和隔膜)上進行 ALD 涂層可以提高不同應用中的鋰離子電池性能。ALD 涂層可減少?屬溶解,減少SEI 形成,減少鋰損失??商峁┮韵潞锰帲?/p>


1

更?的?作電壓(?容量)

2

更?的使?壽命

3

更?的循環周期壽命

4

減少?體?成

5

減緩循環后的阻抗增加過程, 提高容量

6

增強安全性(更?的熱失控起始溫度、ARC 測量等)


1.  正極材料


正極材料通常由過渡金屬氧化物組成,過渡金屬氧化物可以通過消除Li而被氧化并轉變為更高價態,即在正極發生還原。對于正極粉末,鎳(Ni)濃度越?,正極材料穩定性越低,表?涂層越重要。對于? Ni 材料,與其他涂層?法相?,ALD 涂層具有Z?的優勢。 


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使用 Forge Nano 流化床系統包覆后的三元正極材料穩定性更強


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包覆后裂紋明顯減少


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ALD 包覆 NMC811 材料在循環后擁有更好的容量保持率


2.  負極材料


鋰離子電池負極中的負極材料對鋰離子電池的性能也起著至關重要的作用。盡管有多種負極材料可供使用,但它們仍然存在問題和局限性。下一代電池的發展在很大程度上取決于負極材料的進步。


對于負極粉末,即使?常?。?于1nm)的 ALD 涂層也能顯著提?電池循環壽命和?電壓?作性能。

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使用 Forge Nano 流化床系統包覆的硅負極材料


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ALD 包覆的石墨負極在循環后擁有更好的容量保持率


?將正極與負極材料都進?包覆處理后,某些體系(如 LCO/?墨)可以獲得更多的益處。這些好處包括更?的初始放電能?和更?的容量保留周期。


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ALD 包覆后的正負極材料失控溫度都有明顯升?進?步提升了安全性


三.  多種 ALD 涂層


多種 ALD 涂層已證明可以提?電池性能。氧化鋁是?多數?藝選擇的主要化學成分。越來越多的?正在探索更先進的涂層,如更?的 Li 離?遷移率與傳輸效率。這些先進的 ALD 涂層通常適?于鋰離?電池、包含固態組件的混合電池以及全固態電池系統。?前已開發的電池材料的?級 ALD 涂料包括?屬氧化物(氧化鋁除外)、?屬氧化鋰、?屬磷酸鹽、?屬氟化物???于電池材料的?級 ALD 涂層包括聚合物涂層、混合氧化物/有機涂層、硫涂層等。 


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總結


目前,鋰離子電池是設備和電動汽車中應用廣泛且具有競爭力的儲能技術。然而,由于電池組件材料制造工藝的偏差,仍然面臨嚴峻挑戰。ALD 因其原子級精度和出色的保形薄膜沉積而成為一項先進技術。通過新穎的共脈沖技術調整膜厚度和優化成分,可以提高電極和 SSE 電解質材料的性能,可以完成其他傳統方法具有挑戰性或無法完成的任務。


關于 Forge Nano


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Forge Nano 將粉末原子層沉積(PALD)技術商業化,并已成為使用 ALD 工藝進行材料科學創新和商業化方面無可爭議的前沿者。商業規模的原子層沉積技術 —— Atomic Armor 能夠提高產品性能并降低電池材料的工藝成本,正在廣泛應用于世界各地的電池材料。Forge Nano 致力于開發強大的北美鋰離子電池供應鏈,并使用 Atomic Armor 技術實現在成本、性能和安全性方面優于其他電池。


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參考文獻


【1】Karimzadeh, S., Safaei, B., Yuan, C. et al. Emerging Atomic Layer Deposition for the Development of High-Performance Lithium-Ion Batteries. Electrochem. Energy Rev. 6, 24 (2023). 


【2】Hwang, C.J.: ALD (atomic layer deposition) process technology in the semiconductor industry. Phys. High Technol. 21, 37–41 (2012). 


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