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原子層沉積(ALD)技術(shù)鋰電材料:電極粉末包覆的必要性(下)

 更新時(shí)間:2024-05-31 點(diǎn)擊量:525

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(shù)在鋰電材料中的應(yīng)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(shè)備的選擇是關(guān)鍵。極片涂層依賴卷對卷設(shè)備和苛刻的低溫要求。粉末包覆更適合從源頭進(jìn)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(yīng)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(jì) 90 年代,但大規(guī)模的研究興起于本世紀(jì)初。由美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的 Steven George 以及Alan Weimer 教授發(fā)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(jīng)成為較大的粉末 ALD 技術(shù)推行者,實(shí)現(xiàn)從毫克到千噸級的粉末表面保形涂層加工。

 

目前,F(xiàn)orge Nano 公司可用于大批量粉末原子層沉積包覆的設(shè)備有流化床,旋轉(zhuǎn)床以及空間振動(dòng)床,可以實(shí)現(xiàn)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(shù)的基本實(shí)現(xiàn)方法)

 

1.png

旋轉(zhuǎn)床式 ALD 系統(tǒng)

2.png

多級空間 ALD 系統(tǒng)

 

3.png

空間振動(dòng)床 ALD 系統(tǒng)

 

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(fù)極粉末上生長一層薄薄的保護(hù)膜來實(shí)現(xiàn)的,有時(shí)通過摻雜或熱處理來控制其性能。

 

根據(jù)電極材料的性質(zhì),涂層材料可以是化學(xué)鈍化的,也可以是導(dǎo)電的。此外,薄膜的厚度、數(shù)量和性質(zhì)決定了其保護(hù)和增強(qiáng)性能的能力。目前,PALD 涂層在正極材料中的應(yīng)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(dǎo)電性、改變表面化學(xué)性質(zhì)、抑制金屬在電解質(zhì)中的溶解以及保護(hù)材料表面。

 


IC:初始容量  RC:保留容量

 

從文獻(xiàn)報(bào)道可看出,氧化物包覆尤其是 Al2O3 是研究和應(yīng)用最多的涂層,下一期我們將介紹氧化鋁相關(guān)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(yōu)異的儲(chǔ)鋰能力而受到廣泛關(guān)注。然而,它們的應(yīng)用仍然受到容量退化和電壓衰減的限制,這是由重復(fù)循環(huán)過程中的相變和金屬溶解引起的。在這項(xiàng)工作中,在流化床反應(yīng)器中對富鋰層狀陰極以及 LMNO 粉末進(jìn)行氧化鐵(FeOx)粉末原子層沉積工藝(PALD)包覆 ,然后進(jìn)行退火處理。退火后 Fe 離子會(huì)形成摻雜,包覆體系表現(xiàn)出比容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)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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