高通量粉末原子層沉積技術開發(fā)高性能鋰離子電池

隨著低成本和環(huán)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(wèi)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(fā)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。原子層沉積ALD 技術具有改變電池行業(yè)未來的巨大潛力。

一. 原子層沉積ALD 以及 粉末原子層沉積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(xiàn)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(yī)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(xù)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(huán)是否完成。根據(jù)應用的不同，ALD 循環(huán)可以重復多次，以增加薄膜的層數(shù)。

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(jīng)過多年研發(fā)，已經(jīng)開發(fā)出低成本的規(guī)模化原子層沉積粉末包覆技術。

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(jīng)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(yè)化規(guī)模地在顆粒上進行 ALD 涂層包覆的納米專(zhuan)利技術的出現(xiàn)允許其從實驗室研究發(fā)展成為商業(yè)可行的工藝。Forge Nano 開發(fā)出可實現(xiàn)鋰電包覆商業(yè)化生產(chǎn)的 PALD 工藝。

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。可提供以下好處：

1.更?的?作電壓（?容量）

2.更?的使?壽命

3.更?的循環(huán)周期壽命

4.減少?體?成

5.減緩循環(huán)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?yōu)楦邇r態(tài)，即在正極發(fā)生還原。對于正極粉末，鎳（Ni）濃度越?，正極材料穩(wěn)定性越低，表?涂層越重要。對于? Ni 材料，與其他涂層?法相?，ALD 涂層具有最?的優(yōu)勢。 

使用 Forge Nano 流化床系統(tǒng)包覆后的三元正極材料穩(wěn)定性更強

包覆后裂紋明顯減少

ALD 包覆 NMC811 材料在循環(huán)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(fā)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?常薄（?于1nm）的 ALD 涂層也能顯著提?電池循環(huán)壽命和?電壓?作性能。

使用 Forge Nano 流化床系統(tǒng)包覆的硅負極材料

ALD 包覆的石墨負極在循環(huán)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。

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(shù)?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(tài)組件的混合電池以及全固態(tài)電池系統(tǒng)。?前已開發(fā)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。可?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。 

總結

目前，鋰離子電池是設備和電動汽車中應用廣泛、較具競爭力的儲能技術。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(zhàn)。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(yōu)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(tǒng)方法具有挑戰(zhàn)性或無法完成的任務。