Aplicación y avance de la deposición de capas atómicas en las baterías de iones de litio
Como núcleo de nueva tecnología de almacenamiento de energía, las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos, dispositivos electrónicos portátiles y sistemas de energías renovables. La mejora de su rendimiento está estrechamente relacionada con la mejora de los materiales, especialmente en el desarrollo de material del electrodo. En los últimos años, la tecnología de deposición de capas atómicas (ALD) ha ido ganando atención en la investigación y aplicación de las baterías de iones de litio debido a sus ventajas únicas.
Con la mejora continua de los requisitos de rendimiento de las baterías, los métodos tradicionales de preparación de electrodos han ido mostrando sus limitaciones, y la introducción de la tecnología ALD ha abierto nuevas vías para el diseño y la optimización de los materiales de las baterías. Este artículo explorará el estado actual de la aplicación de la tecnología ALD en las baterías de iones de litio y sus avances en los vehículos eléctricos.
Introducción a la tecnología de deposición de capas atómicas
La deposición de capas atómicas (ALD) es una técnica que deposita películas finas sobre sustratos de forma autolimitada exponiendo alternativamente precursores y reactivos para introducir gases reactivos. La naturaleza autolimitada de la tecnología ALD significa que, una vez que la reacción del precursor en la superficie de la película alcanza la saturación, el precursor sobrante no seguirá reaccionando, lo que hace que las películas ALD tengan características difíciles de igualar con las películas preparadas mediante otras tecnologías.
En primer lugar, las películas ALD pueden lograr uniformidad en una gran superficie y un control preciso del grosor de la película; en segundo lugar, las películas ALD tienen una buena cobertura escalonada, por lo que las películas finas pueden depositarse en sustratos de superficie compleja, como estructuras de alta relación de aspecto; además, algunos sustratos flexibles son sensibles a la temperatura, y la tecnología ALD puede lograr la deposición del sustrato a una temperatura más baja, lo que hace posible depositar películas finas en sustratos flexibles.
Campos de aplicación de las películas finas ALD
Dado que las películas preparadas mediante la tecnología ALD tienen las características mencionadas, se utilizan ampliamente en muchos campos. Concretamente, en el campo de las energías limpias, la tecnología ALD puede utilizarse para preparar películas de pasivación sobre la superficie de las células solares de silicio, lo que mejora en gran medida la eficiencia de conversión de las células solares.
En el campo de la electrónica flexible, la deposición continua, eficiente y a baja temperatura de películas finas sobre sustratos flexibles puede lograrse mediante un método de rollo a rollo, que resuelve el problema de la sensibilidad de los sustratos flexibles a la temperatura y aprovecha al máximo las características de bajo coste, transparencia y plegabilidad de los sustratos orgánicos flexibles.
En el campo de la fabricación de dispositivos microelectrónicos, la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos exige que la película tenga una buena uniformidad y un control preciso del espesor de la película. Las películas preparadas mediante la tecnología ALD pueden cumplir estos requisitos. En el campo de las partículas en polvo, las películas ALD pueden utilizarse como capa aislante o capa protectora en la superficie de las partículas en polvo debido a sus características uniformes y densas para evitar la conducción electrónica o la oxidación.
Aplicación de la deposición de capas atómicas en
baterías de iones de litio
Con la creciente demanda de energía de bajo coste y respetuosa con el medio ambiente, las baterías recargables de iones de litio (LIB) desempeñan un papel importante como dispositivos fiables de almacenamiento de energía en vehículos eléctricos, dispositivos electrónicos portátiles y satélites espaciales. Los componentes activos de las baterías incluyen el electrodo positivo, el electrodo negativo, el electrolito y el separador, que desempeñan un papel importante en el funcionamiento de las baterías de iones de litio. El principal problema de las baterías de iones de litio es la degradación de los materiales del electrolito y el electrodo y de sus componentes durante la carga y la descarga.
La tecnología de deposición de capas atómicas (ALD) puede depositar películas finas uniformes de grosor y composición controlables a nivel atómico. Puede depositar diversas películas metálicas en la superficie de electrodos activos y materiales electrolíticos sólidos para generar capas protectoras en la interfaz del electrodo. La tecnología ALD tiene un gran potencial para revolucionar el futuro de la industria de las baterías.
En las baterías de iones de litio, se pueden depositar películas de óxidos metálicos sobre los electrodos para mejorar el rendimiento electroquímico de la batería. Por ejemplo, la tecnología ALD se utiliza para depositar películas de TiO2 sobre CNT (nanotubos de carbono) dopados con nitrógeno, lo que mejora la eficacia electroquímica como electrodo negativo de las baterías de iones de litio. Tras 50 y 100 ciclos ALD de TiO2 sobre CNTs, la capacidad específica alcanzó 275 mAh/g y 312 mAh/g, respectivamente. La capacidad específica de los CNT recubiertos con ALD tras 60 ciclos es más de 1,7 veces la del grafito, y el nivel de almacenamiento electroquímico de energía mejora notablemente.
En los últimos años, la aplicación de la tecnología ALD en el campo de las baterías de iones de litio ha atraído gradualmente la atención, especialmente para mejorar la capacidad energética y la vida útil de las baterías.
La tecnología ALD se aplica a la preparación de materiales de electrodos negativos para baterías de iones de litio. Por ejemplo, se depositan secuencialmente ZnO y Al2O3 sobre grafeno como materiales de electrodos negativos para baterías de iones de litio. Como puede verse en la figura siguiente, el material recubierto de Al2O3 suprime eficazmente el deterioro de la capacidad del material en los 10 primeros ciclos de carga y descarga. Después de 100 ciclos, la capacidad específica del material con el mejor efecto de recubrimiento es aproximadamente el doble que la del material original.
Gran avance en la deposición de capas atómicas para baterías de vehículos eléctricos
Forge Nano acaba de anunciar que su filial Forge Battery ha empezado a suministrar a los clientes muestras de baterías prototipo fabricadas con materiales de revestimiento ALD para que las prueben. La empresa afirma que su fórmula ALD patentada "Atomic Armor" puede mejorar la capacidad de almacenamiento de energía de los electrodos de las baterías y prolongar su vida útil.
El ALD puede aumentar la densidad energética de las baterías depositando una película protectora sobre los materiales de los electrodos de las pilas, al tiempo que reduce la expansión y contracción de los electrodos durante la carga y la descarga, ralentizando así el envejecimiento mecánico de las baterías. Esta tecnología también permite que las baterías contengan una mayor proporción de silicio en el electrodo negativo, mejorando así la capacidad de almacenamiento de energía de la batería en sistema de almacenamiento de energía en baterías y Tecnología de baterías para VE productividad.
Picosun afirmó que su tecnología ALD se ha utilizado para fabricar electrodos negativos recubiertos de óxido de níquel, que tienen más del doble de capacidad de almacenamiento de energía que los electrodos negativos de grafito tradicionales y tres veces más densidad energética. Aunque todavía se están realizando pruebas y verificaciones por parte de terceros, los datos preliminares revelados por Forge Nano muestran que la batería mejorada con revestimiento tiene un aumento de densidad energética de unos 15% en comparación con baterías similares actualmente en el mercado.
Forge Nano espera que todos los actores de la cadena de producción de baterías -desde los fabricantes de electrodos negativos y positivos hasta los proveedores de baterías de primer nivel e incluso los fabricantes de vehículos eléctricos- consideren su tecnología ALD un paso esencial en la fabricación de baterías. Con este fin, la empresa está construyendo una "superfábrica" de 25.700 metros cuadrados en Carolina del Norte, que se espera que produzca 1 GWh de baterías de iones de litio mejoradas con "blindaje atómico" al año para 2026.
Conclusión
En la actualidad, las baterías de iones de litio son la tecnología de almacenamiento de energía más utilizada y competitiva en dispositivos y vehículos eléctricos. Sin embargo, debido a las desviaciones en el proceso de fabricación de los materiales que componen las baterías, siguen existiendo graves problemas.
La ALD es una tecnología avanzada por su precisión a nivel atómico y su excelente deposición conformada de películas finas. El rendimiento de los electrodos y los materiales electrolíticos SSE puede mejorarse ajustando el grosor de la película y optimizando la composición mediante novedosas técnicas de copulsado, y pueden llevarse a cabo tareas difíciles o imposibles de realizar con otros métodos tradicionales.
La tecnología de deposición de capas atómicas (ALD) puede depositar películas uniformes de grosor y composición controlables a nivel atómico, y es capaz de depositar diversas películas metálicas en la superficie de electrodos activos y materiales electrolíticos sólidos para generar capas protectoras en la interfaz del electrodo.
La tecnología ALD es un método prometedor para mejorar el rendimiento de las baterías de vehículos eléctricos y Seguridad de las baterías de los vehículos eléctricos. Al formar revestimientos a nanoescala sobre los electrodos de las baterías, la ALD puede mejorar la densidad energética, la vida útil y la seguridad, y tiene un gran potencial para revolucionar el futuro de la industria de las baterías. Sin embargo, esta tecnología está aún en fase de desarrollo y requiere más pruebas y verificaciones antes de poder aplicarse a gran escala.
