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如何让您的锂电池发挥更大效能?试试Forge Nano 原子层沉积(ALD)技术!

发布时间: 2024-06-27  点击次数: 825次

如何让您的锂电池发挥更大效能?试试原子层沉积(ALD)技术!

 

当今世界正处于转变期,全力迈向电动社会——一个节能减排、实现气候目标并抵御严峻气候变化的社会。为了实现这一转变,我们需要新的材料和技术,而锂已成为这一转变的标志性元素。

 

可持续、可预测的锂供应链对于电动汽车(EV)、储能和电力网络的重要性日益明显。据国际能源协会 (IEA) 称,到 2040 年,锂将成为需求量zui*大的矿物质。并且到 2030 年,对锂的需求量预计将达到 200 万吨,才能满足quan球 2000 GWh 的能源需求。这在十年内增长了 4 倍,而电动汽车的快速普及甚至可能使实际的需求量超过这一预测。

 

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图 1. 与 2020 年相比,2040 年清洁能源技术对特定电池相关矿物的需求增长。STEPS 和 SDS 代表与气候政策相关的两种不同情景,用于估算需求,其中 STEPS 是国际能源机构提出的有可能的情景。指数单位是任意的,以显示增长。

 

 

01/地球上有多少锂?

 

据美国地质调查局估计,地壳蕴含约 880 亿吨锂,其中约四分之一(220 亿吨)可开采,即储量。根据每辆电动汽车需要 8 千克锂的数量估计,我们可以生产近 30 亿辆电动汽车,这约为目前道路上汽车数量的两倍。

 

这样的锂储量可以支撑到本世纪中叶。值得庆幸的是,随着我们发明出更好的开采方法,锂储量也会随着时间的推移而增加。

 

从供应角度来看,这或许是个好消息,但利润率远低于应有的水平。尽管目前的锂储量可能满足当前的电动转型需求,但主要问题之一是锂的生产能力。

 

未来十年必须扩大锂产量,以满足增长四倍的需求。因此,即使有足够的锂,如果生产速度和工厂产量无法满足需求,人为短缺和供应链问题将会一直存在。

 

02/能否缓解这种关键材料短缺的情况?

 

也许你还记得电影《无限》中,布莱德利·库珀服用了一颗药丸,让他能够充分发挥大脑的潜力。那么,如果我们能用锂做同样的事情呢?

 

我们可能会错误地认为电池在工作时会耗尽其全部电量。然而,由于界面不稳定性以及与电解质的寄生反应,大多数锂离子电池正极只能在电压小于等于 4.2V 时工作。因此,为了避免活性材料的大量损失和晶体结构的重新排列,正极只能使用约 50% 的板载锂含量。

 

目前研究人员一直在努力制造稳定的高电压正极、稳定的负极和互补电解质,但已出现的少数材料仍然存在库仑效率低和结构退化的问题。如果不能保持较高的可逆容量,那么它们在较高电压下工作也是徒劳的。

 

值得注意的是,以 Wh 为单位测量的能量容量等于电池的标称容量(以安培小时 (Ah) 为单位)乘以电压 (V)。在较小的电压下运行,我们只能使用电池潜在能量容量的一小部分。

 

但如果像《无限》中那样,我们能设计出一种获得更多电池能量的方案吗?也许解决方法只是几纳米的材料。

 

03/ 使用Forge Nano ALD 原子层沉积技术提升电池效能

 

Forge Nano 推出了一种名为 Atomic Armor™ 的解决方案,以解决电极结构不稳定的问题并从电池中释放更多容量。

 

该方法采用原子层沉积(ALD) 技术,在电池电极材料表面包覆薄膜,可实现厚度可控、均匀致密的纳米涂层。该技术可保护活性材料免受与电解质的寄生反应的影响,当电池在更高的电压和温度下工作时,电解质的化学性质会变得不稳定。 

 

但更重要的是,Forge Nano 的 原子层沉积(ALD)工艺还可以防止过度反应。

 

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图 2.电化学循环前未包覆的 NCA (a) 和 Al2O3 包覆的 NCA (b) 的 TEM 图像,以及在 3-4.8 V 电压下(1C/1C 充放电率)循环 100 次后分别从电池中提取的相同正极(c,d)的 TEM 图像。

 

图 2 很好地展示了 ALD 涂层在高电压下保持正极颗粒结构完整性的能力。TEM 图像显示,在 3.0 – 4.8V 的电压窗口下循环 100 次 1C/1C 循环后,未进行包覆的 NCA 颗粒出现了明显的裂纹和晶体结构退化。然而, Al2O3 ALD 涂层不仅防止了晶格的重大变化,还阻止了表面裂纹向颗粒内部的扩展。

 

事实上,通过防止这些失效机制,ALD 可以大幅提高电池的di一周期库仑效率,使电池可以在更高的电压下工作。这不仅意味着初始容量更高,而且可逆容量也更高,从而使相同的电池能够提供比以前更多的能量。

 

让我们来看看使用 Forge Nano 的 Atomic Armor™ 技术升级电极材料的一些测试数据。

 

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图 3. 使用原始石墨负极和涂有 Atomic Armor™ 涂层的石墨负极的电池在 4.2V 电压下循环的相对容量。

 

 

图 3 比较了在 4.2V 电压下未包覆涂层的石墨负极的电池和使用 Forge Nano ALD技术包覆涂层的负极的电池的相对容量。通过使用该技术保护电极,我们的可逆容量增加了 11%,甚至无需在更高电压下循环。由于电极表面的反应不会损失锂,我们可以来回移动的锂量大大增加,从而从电池中获得更多能量。

 

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图4 .未包覆涂层的 LCO 电池在 4.4V 电压下工作时的放电容量,耐久性循环为 0.5C/1C,而使用相同配方进行涂层包覆的电池在 4.5V 电压下运行时的放电容量。

 

图 4 则进一步提高了这一性能。图 4 显示了未进行涂层包覆的电池在 4.4V 电压下循环时的放电容量,以及使用 Forge Nano ALD 技术进行电极涂层包覆的电池在 4.5V 电压下循环时的放电容量。更高的电压运行与受保护的电极相结合,电池的初始放电容量提高了 18%。此外,更高的工作电压不会影响电池的使用寿命,这意味着使用原子盔甲技术,可以从电池中获得更多能量,而不会牺牲电池的使用寿命。

 

图 4 中的电池是可用于消费电子应用的电池示例,其目标循环次数为 200 次。如果这是一部手机,较高的放电容量意味着一次充电可以使用两天,而不是一天。

 

04/减少锂需求 

  

虽然我们不一定能改变未来对锂的需求,但我们肯定能更有效地利用锂,从而较大限度地减轻锂的开采负担。随着电池能够在更高电压下工作,可逆容量增加 10-18% 不等,我们在不改变电池中锂含量的情况下输出更多的能量。

 

例如,北美电池制造生态系统计划到 2030 年输出 1000 GWh 的容量。如果每块电池的容量只提高 10%,那么现在这 1000 GWh 的工厂产出额定值为 1100 GWh,这将减少对多个新千兆工厂的需求,并每年节省 10 万吨加工锂的原料需求,相当于每年节省 100 万吨矿石开采过程中开采出的地下材料。这也相当于每年节省 110 万至 370 万吨二氧化碳排放量和 180 万至 800 万立方米用水量。

 

事实上,根据麦肯锡公司对锂供应的研究,虽然我们可以在短期内满足锂的需求,但预计到 2030 年,锂的供应将出现约 40 万吨的缺口。图 5 显示了目前到 2030 年的能源和锂需求预测。如果所有电池都使用 Forge Nano 的 ALD 技术包覆涂层,容量的提高将减少锂的需求量,以目前已知的供应量,足以满足到 2030 年的所有能源需求。在zui*好的情况下,即所有电池都使用 Forge Nano ALD 技术提升电池容量,到 2030 年,锂可能仍然过剩。

 

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图 5. 到 2030 年的锂和能源需求以及已知的锂供应量。Atomic Armor™ 基础方案显示了千兆工厂产量增加 10% 后的锂需求。Atomic Armor™ 高方案显示了产量增加 18% 后的锂需求。

 

 

通过使用 Forge Nano 的 Atomic Armor™ 技术可以有效地利用锂,大大减轻锂生产的负担。使得公司可以安全地提供更高的产能产出,而不必担心供应链短缺;作为消费者,我们也不必担心锂供应短缺时会支付天价。

 

让 Forge Nano 的 Atomic Armor™ 技术成为锂电池发挥更大效能的良药!


 

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