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原子層沉積(ALD)技術鋰電材料:電極粉末包覆的必要性(下)

發布時間: 2024-05-31  點擊次數: 651次

在上篇文章中,我們介紹了原子層沉積(ALD)方法包覆電極材料的必要性以及粉末涂層(PC)和極片涂層(DC)兩種不同的改性策略。(詳見:原子層沉積(ALD)技術在鋰電材料中的應用(一):電極粉末包覆的必要性(上))

 

ALD 方法對于電極材料的改善有目共睹,但涂層的選擇以及設備的選擇是關鍵。極片涂層依賴卷對卷設備和苛刻的低溫要求。粉末包覆更適合從源頭進行界面的改善。本篇文章我們將介紹粉末原子層沉積(PALD)工藝及其在電極材料包覆中的應用。

 

01.“粉末原子層沉積(PALD)工藝”

 

對于粉末樣品的 ALD 研究源自上世紀 90 年代,但大規模的研究興起于本世紀初。由美國科羅拉多大學博爾德分校的 Steven George 以及Alan Weimer 教授發起,并先后孵化了ALD Nanosolutions 以及 Forge Nano兩家 ALD 公司(二者在 2020 年完成合并),已經成為較大的粉末 ALD 技術推行者,實現從毫克到千噸級的粉末表面保形涂層加工。

 

目前,Forge Nano 公司可用于大批量粉末原子層沉積包覆的設備有流化床,旋轉床以及空間振動床,可以實現公斤級到千噸級的粉末包覆處理。(詳見粉末保形包覆——PALD 技術的基本實現方法)

 

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旋轉床式 ALD 系統

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多級空間 ALD 系統

 

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空間振動床 ALD 系統

 

02.“粉末原子層沉積(PALD) 改性涂層”

 

粉末原子層沉積(PALD)方法對電極表面的改性是通過在正極或負極粉末上生長一層薄薄的保護膜來實現的,有時通過摻雜或熱處理來控制其性能。

 

根據電極材料的性質,涂層材料可以是化學鈍化的,也可以是導電的。此外,薄膜的厚度、數量和性質決定了其保護和增強性能的能力。目前,PALD 涂層在正極材料中的應用較多(鈷酸鋰,錳酸鋰,鎳鈷錳酸鋰,鎳鈷鋁酸鋰,富鋰正極,鎳錳酸鋰等)。

 

PALD 涂層可分為五類,包括金屬氧化物、氟化物、磷酸鹽、氮化物和合金涂層。與 UC 和 DC 正極相比,這些涂層提升了正極性能,如提供更好的電子和離子導電性、改變表面化學性質、抑制金屬在電解質中的溶解以及保護材料表面。

 

 

IC:初始容量  RC:保留容量

 

從文獻報道可看出,氧化物包覆尤其是 Al2O3 是研究和應用最多的涂層,下一期我們將介紹氧化鋁相關的研究和案例。

 

03.“粉末原子層沉積(PALD)涂層改善電極材料性能”

 

富鋰層狀正極材料以及 LMNO 因其優異的儲鋰能力而受到廣泛關注。然而,它們的應用仍然受到容量退化和電壓衰減的限制,這是由重復循環過程中的相變和金屬溶解引起的。在這項工作中,在流化床反應器中對富鋰層狀陰極以及 LMNO 粉末進行氧化鐵(FeOx)粉末原子層沉積工藝(PALD)包覆 ,然后進行退火處理。退火后 Fe 離子會形成摻雜,包覆體系表現出比容量、倍率性能和循環穩定性顯著提高。(詳見粉末原子層沉積 Fe 摻雜改善正極材料性能)


 

 

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