原子層沉積（ALD）技術(shù)鋰電材料：電極粉末包覆的必要性（下）

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(jiàn)：原子層沉積（ALD）技術(shù)在鋰電材料中的應用（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備的選擇是關(guān)鍵。極片涂層依賴(lài)卷對卷設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 90 年代，但大規模的研究興起于本世紀初。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)現從毫克到千噸級的粉末表面保形涂層加工。

目前，Forge Nano 公司可用于大批量粉末原子層沉積包覆的設備有流化床，旋轉床以及空間振動(dòng)床，可以實(shí)現公斤級到千噸級的粉末包覆處理。（詳見(jiàn)粉末保形包覆——PALD 技術(shù)的基本實(shí)現方法）

旋轉床式 ALD 系統

多級空間 ALD 系統

空間振動(dòng)床 ALD 系統

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(guò)在正極或負極粉末上生長(cháng)一層薄薄的保護膜來(lái)實(shí)現的，有時(shí)通過(guò)摻雜或熱處理來(lái)控制其性能。

根據電極材料的性質(zhì)，涂層材料可以是化學(xué)鈍化的，也可以是導電的。此外，薄膜的厚度、數量和性質(zhì)決定了其保護和增強性能的能力。目前，PALD 涂層在正極材料中的應用較多（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(lèi)，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)中的溶解以及保護材料表面。

IC:初始容量  RC:保留容量

從文獻報道可看出，氧化物包覆尤其是 Al2O3 是研究和應用最多的涂層，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)異的儲鋰能力而受到廣泛關(guān)注。然而，它們的應用仍然受到容量退化和電壓衰減的限制，這是由重復循環(huán)過(guò)程中的相變和金屬溶解引起的。在這項工作中，在流化床反應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，包覆體系表現出比容量、倍率性能和循環(huán)穩定性顯著(zhù)提高。（詳見(jiàn)粉末原子層沉積 Fe 摻雜改善正極材料性能)