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原子层沉积(ALD)技术锂电材料:电极粉末包覆的必要性(下)

发布时间: 2024-05-31  点击次数: 617次

在上篇文章中,我们介绍了原子层沉积(ALD)方法包覆电极材料的必要性以及粉末涂层(PC)和极片涂层(DC)两种不同的改性策略。(详见:原子层沉积(ALD)技术在锂电材料中的应用(一):电极粉末包覆的必要性(上))

 

ALD 方法对于电极材料的改善有目共睹,但涂层的选择以及设备的选择是关键。极片涂层依赖卷对卷设备和苛刻的低温要求。粉末包覆更适合从源头进行界面的改善。本篇文章我们将介绍粉末原子层沉积(PALD)工艺及其在电极材料包覆中的应用。

 

01.“粉末原子层沉积(PALD)工艺”

 

对于粉末样品的 ALD 研究源自上世纪 90 年代,但大规模的研究兴起于本世纪初。由美国科罗拉多大学博尔德分校的 Steven George 以及Alan Weimer 教授发起,并先后孵化了ALD Nanosolutions 以及 Forge Nano两家 ALD 公司(二者在 2020 年完成合并),已经成为较大的粉末 ALD 技术推行者,实现从毫克到千吨级的粉末表面保形涂层加工。

 

目前,Forge Nano 公司可用于大批量粉末原子层沉积包覆的设备有流化床,旋转床以及空间振动床,可以实现公斤级到千吨级的粉末包覆处理。(详见粉末保形包覆——PALD 技术的基本实现方法)

 

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旋转床式 ALD 系统

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多级空间 ALD 系统

 

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空间振动床 ALD 系统

 

02.“粉末原子层沉积(PALD) 改性涂层”

 

粉末原子层沉积(PALD)方法对电极表面的改性是通过在正极或负极粉末上生长一层薄薄的保护膜来实现的,有时通过掺杂或热处理来控制其性能。

 

根据电极材料的性质,涂层材料可以是化学钝化的,也可以是导电的。此外,薄膜的厚度、数量和性质决定了其保护和增强性能的能力。目前,PALD 涂层在正极材料中的应用较多(钴酸锂,锰酸锂,镍钴锰酸锂,镍钴铝酸锂,富锂正极,镍锰酸锂等)。

 

PALD 涂层可分为五类,包括金属氧化物、氟化物、磷酸盐、氮化物和合金涂层。与 UC 和 DC 正极相比,这些涂层提升了正极性能,如提供更好的电子和离子导电性、改变表面化学性质、抑制金属在电解质中的溶解以及保护材料表面。

 

 

IC:初始容量  RC:保留容量

 

从文献报道可看出,氧化物包覆尤其是 Al2O3 是研究和应用最多的涂层,下一期我们将介绍氧化铝相关的研究和案例

 

03.“粉末原子层沉积(PALD)涂层改善电极材料性能”

 

富锂层状正极材料以及 LMNO 因其优异的储锂能力而受到广泛关注。然而,它们的应用仍然受到容量退化和电压衰减的限制,这是由重复循环过程中的相变和金属溶解引起的。在这项工作中,在流化床反应器中对富锂层状阴极以及 LMNO 粉末进行氧化铁(FeOx)粉末原子层沉积工艺(PALD)包覆 ,然后进行退火处理。退火后 Fe 离子会形成掺杂,包覆体系表现出比容量、倍率性能和循环稳定性显著提高。(详见粉末原子层沉积 Fe 掺杂改善正极材料性能)


 

 

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