高通量粉末原子层沉积技术开发高性能锂离子电池

引言

随着低成本和环保能源需求的不断增加，可充电锂离子电池（LIB）作为可靠的储能设备在电动汽车、便携式电子设备和空间卫星中扮演着重要角色。电池活性组件包括正极、负极、电解质和隔膜，在锂离子电池功能中发挥着重要作用。锂离子电池的主要问题是充放电过程中电解质和电极材料及其成分的降解。

原子层沉积（ALD）技术可以在原子水平上沉积厚度和成分可控的均匀薄膜，能够在活性电极和固体电解质材料的表面沉积各种金属薄膜，以在电极界面处生成保护层。ALD 技术具有彻底改变电池行业未来的巨大潜力。

一. ALD 以及 PALD 技术

原子层沉积技术（ALD）是一种自限制性的化学气相沉积手段，通过将目标反应拆解为若干个半反应，实现表面涂层的原子层级厚度控制（0.1-100nm）。利用该技术制备的涂层具有共形、无针孔和均匀的特点，已被广泛应用于微电子、光电子、催化、能源、光学涂层、抗腐蚀层、生物医用材料等多个领域。

原子层沉积 (ALD) 技术通过将气相前驱体连续引入表面来制造薄膜。前驱体分子在每个交替脉冲中以自限方式与表面反应，一旦基材上的所有反应位点都被利用，反应就会停止。前驱体与表面接触的类型决定 ALD 循环是否完成。根据应用的不同，ALD 循环可以重复多次，以增加薄膜的层数。

一般 ALD 二元反应机理示意图

利用原子层沉积方法在粉末表面构筑涂层的方式被称为 —— 粉末 / 颗粒原子层沉积（PALD）。使用该法可以制备金属单质，金属氧化物，氮化物，硫化物，磷酸盐，多元化合物以及有机聚合物等涂层。Forge Nano 经过多年研发，已经开发出低成本的规模化原子层沉积粉末包覆技术。

PALD 技术制备的薄膜更均匀

(左：溶胶凝胶法；右：ALD)

二.  PALD 技术改进电池材料

这种被称粉末或颗粒原子层沉积（ PALD） 的技术越来越受欢迎，通过在每个微小颗粒周围沉积金属氧化物纳米涂层，该技术已经被证明可以延长锂离子电池的使用寿命、增加其容量并提高安全性。

促使 ALD 在锂离子电池制造中使用增加的另一个因素是，低成本且工业化规模地在颗粒上进行 ALD 涂层包覆的纳米技术的出现允许其从实验室研究发展成为商业可行的工艺。Forge Nano 开发出可实现锂电包覆商业化生产的 PALD 工艺。（ 相关内容：6K Energy 将采用 Forge Nano 原子层沉积技术进行 NMC 811 量产！）

在各种材料（包括正极、负极、SSE 和隔膜）上进行 ALD 涂层可以提高不同应用中的锂离子电池性能。ALD 涂层可减少⾦属溶解，减少SEI 形成，减少锂损失。可提供以下好处：

1.  正极材料

正极材料通常由过渡金属氧化物组成，过渡金属氧化物可以通过消除Li而被氧化并转变为更高价态，即在正极发生还原。对于正极粉末，镍（Ni）浓度越⾼，正极材料稳定性越低，表⾯涂层越重要。对于⾼ Ni 材料，与其他涂层⽅法相⽐，ALD 涂层具有最⼤的优势。 

使用 Forge Nano 流化床系统包覆后的三元正极材料稳定性更强

包覆后裂纹明显减少

ALD 包覆 NMC811 材料在循环后拥有更好的容量保持率

2.  负极材料

锂离子电池负极中的负极材料对锂离子电池的性能也起着至关重要的作用。尽管有多种负极材料可供使用，但它们仍然存在问题和局限性。下一代电池的发展在很大程度上取决于负极材料的进步。

对于负极粉末，即使⾮常薄（⼩于1nm）的 ALD 涂层也能显著提⾼电池循环寿命和⾼电压⼯作性能。

使用 Forge Nano 流化床系统包覆的硅负极材料

ALD 包覆的石墨负极在循环后拥有更好的容量保持率

⽽将正极与负极材料都进⾏包覆处理后，某些体系（如 LCO/⽯墨）可以获得更多的益处。这些好处包括更⾼的初始放电能⼒和更⾼的容量保留周期。

ALD 包覆后的正负极材料失控温度都有明显升⾼进⼀步提升了安全性

三.  多种 ALD 涂层

多种 ALD 涂层已证明可以提⾼电池性能。氧化铝是⼤多数⼯艺选择的主要化学成分。越来越多的⼈正在探索更先进的涂层，如更⾼的 Li 离⼦迁移率与传输效率。这些先进的 ALD 涂层通常适⽤于锂离⼦电池、包含固态组件的混合电池以及全固态电池系统。⽬前已开发的电池材料的⾼级 ALD 涂料包括⾦属氧化物（氧化铝除外）、⾦属氧化锂、⾦属磷酸盐、⾦属氟化物。可⽤于电池材料的⾼级 ALD 涂层包括聚合物涂层、混合氧化物/有机涂层、硫涂层等。 

总结

目前，锂离子电池是设备和电动汽车中应用广泛且具有竞争力的储能技术。然而，由于电池组件材料制造工艺的偏差，仍然面临严峻挑战。ALD 因其原子级精度和出色的保形薄膜沉积而成为一项先进技术。通过新颖的共脉冲技术调整膜厚度和优化成分，可以提高电极和 SSE 电解质材料的性能，可以完成其他传统方法具有挑战性或无法完成的任务。

关于 Forge Nano

Forge Nano 将粉末原子层沉积（PALD）技术商业化，并已成为使用 ALD 工艺进行材料科学创新和商业化方面无可争议的前沿者。商业规模的原子层沉积技术 —— Atomic Armor 能够提高产品性能并降低电池材料的工艺成本，正在广泛应用于世界各地的电池材料。Forge Nano 致力于开发强大的北美锂离子电池供应链，并使用 Atomic Armor 技术实现在成本、性能和安全性方面优于其他电池。

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参考文献

【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).