Application et percée du dépôt par couche atomique sur les batteries lithium-ion
En tant qu'élément central de la nouvelle technologie de stockage de l'énergieLes batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les véhicules électriques, les appareils électroniques portables et les systèmes d'énergie renouvelable. L'amélioration de leurs performances est étroitement liée à l'amélioration des matériaux, en particulier dans le développement d'une technologie de pointe. matériau d'électrode. Ces dernières années, la technologie de dépôt par couche atomique (ALD) a progressivement attiré l'attention dans la recherche et l'application des batteries lithium-ion en raison de ses avantages uniques.
Avec l'amélioration continue des exigences de performance des batteries, les méthodes traditionnelles de préparation des électrodes ont progressivement montré leurs limites, et l'introduction de la technologie ALD a ouvert de nouvelles voies pour la conception et l'optimisation des matériaux des batteries. Cet article explore l'état actuel des applications de la technologie ALD dans les batteries lithium-ion et ses percées dans les véhicules électriques.
Introduction à la technologie de dépôt par couche atomique
Le dépôt de couches atomiques (ALD) est une technique qui permet de déposer des couches minces sur des substrats de manière autolimitée en exposant alternativement les précurseurs et les réactifs à l'introduction de gaz réactifs. La nature autolimitée de la technologie ALD signifie qu'une fois que la réaction du précurseur sur la surface du film a atteint la saturation, le précurseur excédentaire ne continue pas à réagir, ce qui confère aux films ALD des caractéristiques difficiles à comparer à celles des films préparés par d'autres technologies.
Premièrement, les films ALD peuvent être uniformes sur une grande surface et permettre un contrôle précis de l'épaisseur du film ; deuxièmement, les films ALD ont une bonne couverture de pas, de sorte que des films minces peuvent être déposés sur des substrats à surface complexe tels que des structures à rapport d'aspect élevé ; en outre, certains substrats flexibles sont sensibles à la température, et la technologie ALD permet de déposer des substrats à une température plus basse, ce qui rend possible le dépôt de films minces sur des substrats flexibles.
Domaines d'application des couches minces ALD
Les films préparés par la technologie ALD présentant les caractéristiques susmentionnées, ils sont largement utilisés dans de nombreux domaines. En particulier, dans le domaine de l'énergie propre, la technologie ALD peut être utilisée pour préparer des films de passivation sur la surface des cellules solaires en silicium, ce qui améliore considérablement l'efficacité de conversion des cellules solaires.
Dans le domaine de l'électronique flexible, le dépôt continu, efficace et à basse température de couches minces sur des substrats flexibles peut être réalisé par une méthode de rouleau à rouleau, qui résout le problème de la sensibilité des substrats flexibles à la température et permet d'exploiter pleinement les caractéristiques de faible coût, de transparence et de pliage des substrats organiques flexibles.
Dans le domaine de la fabrication de dispositifs microélectroniques, la réduction de la taille des dispositifs électroniques exige que le film présente une bonne uniformité et un contrôle précis de l'épaisseur du film. Les films préparés par la technologie ALD peuvent répondre à ces exigences. Dans le domaine des particules de poudre, les films ALD peuvent être utilisés comme couche isolante ou couche protectrice à la surface des particules de poudre en raison de leurs caractéristiques uniformes et denses, afin d'empêcher la conduction électronique ou l'oxydation.
Application du dépôt de couches atomiques en
piles au lithium-ion
Avec la demande croissante d'énergie à faible coût et respectueuse de l'environnement, les batteries lithium-ion rechargeables (LIB) jouent un rôle important en tant que dispositifs de stockage d'énergie fiables dans les véhicules électriques, les appareils électroniques portables et les satellites spatiaux. Les composants actifs des batteries comprennent l'électrode positive, l'électrode négative, l'électrolyte et le séparateur, qui jouent un rôle important dans le fonctionnement des batteries lithium-ion. Le principal problème des batteries lithium-ion est la dégradation des matériaux de l'électrolyte et de l'électrode et de leurs composants pendant la charge et la décharge.
La technologie de dépôt par couches atomiques (ALD) permet de déposer des couches minces uniformes dont l'épaisseur et la composition sont contrôlables au niveau atomique. Elle permet de déposer divers films métalliques à la surface des électrodes actives et des matériaux électrolytiques solides afin de générer des couches protectrices à l'interface des électrodes. La technologie ALD a un grand potentiel pour révolutionner l'avenir de l'industrie des batteries.
Dans les batteries lithium-ion, des films d'oxyde métallique peuvent être déposés sur les électrodes pour améliorer les performances électrochimiques de la batterie. Par exemple, la technologie ALD est utilisée pour déposer des films de TiO2 sur des NTC (nanotubes de carbone) dopés à l'azote, ce qui améliore l'efficacité électrochimique de l'électrode négative des batteries lithium-ion. Après 50 et 100 cycles ALD de TiO2 sur des NTC, la capacité spécifique a atteint 275 mAh/g et 312 mAh/g, respectivement. La capacité spécifique des NTC revêtus par ALD après 60 cycles est plus de 1,7 fois supérieure à celle du graphite, et le niveau de stockage de l'énergie électrochimique est considérablement amélioré.
Ces dernières années, l'application de la technologie ALD dans le domaine des batteries lithium-ion a progressivement attiré l'attention, notamment pour améliorer la capacité énergétique et la durée de vie des batteries.
La technologie ALD est appliquée à la préparation de matériaux d'électrodes négatives pour les batteries lithium-ion. Par exemple, ZnO et Al2O3 sont déposés successivement sur le graphène en tant que matériaux d'électrode négative pour les batteries lithium-ion. Comme le montre la figure ci-dessous, le matériau recouvert d'Al2O3 supprime efficacement la baisse de capacité du matériau au cours des 10 premiers cycles de charge et de décharge. Après 100 cycles, la capacité spécifique du matériau ayant le meilleur effet de revêtement est environ deux fois supérieure à celle du matériau d'origine.
Percée dans le dépôt de couches atomiques pour les batteries de véhicules électriques
Forge Nano a récemment annoncé que sa filiale Forge Battery avait commencé à fournir à ses clients des échantillons de batteries prototypes fabriqués avec des matériaux de revêtement ALD pour les tester. La société affirme que sa formule ALD brevetée "Atomic Armor" peut améliorer la capacité de stockage d'énergie des électrodes de batterie et prolonger la durée de vie des batteries.
L'ALD peut augmenter la densité énergétique des batteries en déposant un film protecteur sur les matériaux des électrodes des batteries, tout en réduisant l'expansion et la contraction des électrodes pendant la charge et la décharge, ralentissant ainsi le vieillissement mécanique des batteries. Cette technologie permet également aux batteries de contenir une plus grande proportion de silicium dans l'électrode négative, améliorant ainsi la capacité de stockage de l'énergie de la batterie. système de stockage d'énergie par batterie et Technologie des batteries pour véhicules électriques la productivité.
Picosun a déclaré que sa technologie ALD a été utilisée pour fabriquer des électrodes négatives recouvertes d'oxyde de nickel, qui ont une capacité de stockage d'énergie plus de deux fois supérieure à celle des électrodes négatives traditionnelles en graphite et une densité énergétique trois fois supérieure. Bien que des essais et des vérifications par des tiers soient encore en cours, les données préliminaires révélées par Forge Nano montrent que la batterie à revêtement amélioré a une densité énergétique accrue d'environ 15% par rapport aux batteries similaires actuellement sur le marché.
Forge Nano espère que tous les acteurs de la chaîne de production des batteries - des fabricants d'électrodes négatives et positives aux fournisseurs de batteries de niveau 1 et même aux constructeurs de véhicules électriques - considéreront sa technologie ALD comme une étape essentielle de la fabrication des batteries. À cette fin, la société construit une "super usine" de 25 700 mètres carrés en Caroline du Nord, qui devrait produire 1 GWh de batteries lithium-ion améliorées par "armure atomique" par an d'ici à 2026.
Conclusion
Actuellement, les batteries lithium-ion sont la technologie de stockage d'énergie la plus largement utilisée et la plus compétitive dans les appareils et les véhicules électriques.
L'ALD est une technologie avancée en raison de sa précision au niveau atomique et de l'excellent dépôt de couches minces conformes. Les performances des électrodes et des matériaux électrolytiques SSE peuvent être améliorées en ajustant l'épaisseur du film et en optimisant la composition grâce à de nouvelles techniques de co-pulsation, et des tâches difficiles ou impossibles à réaliser avec d'autres méthodes traditionnelles peuvent être accomplies.
La technologie de dépôt par couches atomiques (ALD) permet de déposer des films uniformes dont l'épaisseur et la composition sont contrôlables au niveau atomique. Elle est capable de déposer divers films métalliques à la surface des électrodes actives et des matériaux électrolytiques solides afin de générer des couches protectrices à l'interface de l'électrode.
La technologie ALD est une méthode prometteuse pour améliorer les performances des batteries de véhicules électriques et des piles à combustible. Sécurité des batteries de VE. En formant des revêtements à l'échelle nanométrique sur les électrodes des batteries, l'ALD peut améliorer la densité énergétique, la durée de vie et la sécurité, et elle a un grand potentiel pour révolutionner l'avenir de l'industrie des batteries. Toutefois, cette technologie en est encore au stade du développement et nécessite des essais et des vérifications supplémentaires avant de pouvoir être appliquée à grande échelle.
