如何讓您的鋰電池發(fā)揮更大效能？試試Forge Nano 原子層沉積(ALD)技術(shù)！

如何讓您的鋰電池發(fā)揮更大效能？試試原子層沉積(ALD)技術(shù)！

當今世界正處于轉變期，全力邁向電動(dòng)社會(huì )——一個(gè)節能減排、實(shí)現氣候目標并抵御嚴峻氣候變化的社會(huì )。為了實(shí)現這一轉變，我們需要新的材料和技術(shù)，而鋰已成為這一轉變的標志性元素。

可持續、可預測的鋰供應鏈對于電動(dòng)汽車(chē)（EV）、儲能和電力網(wǎng)絡(luò )的重要性日益明顯。據國際能源協(xié)會(huì ) (IEA) 稱(chēng)，到 2040 年，鋰將成為需求量zui*大的礦物質(zhì)。并且到 2030 年，對鋰的需求量預計將達到 200 萬(wàn)噸，才能滿(mǎn)足quan球 2000 GWh 的能源需求。這在十年內增長(cháng)了 4 倍，而電動(dòng)汽車(chē)的快速普及甚至可能使實(shí)際的需求量超過(guò)這一預測。

圖 1. 與 2020 年相比，2040 年清潔能源技術(shù)對特定電池相關(guān)礦物的需求增長(cháng)。STEPS 和 SDS 代表與氣候政策相關(guān)的兩種不同情景，用于估算需求，其中 STEPS 是國際能源機構提出的有可能的情景。指數單位是任意的，以顯示增長(cháng)。

01/地球上有多少鋰？

據美國地質(zhì)調查局估計，地殼蘊含約 880 億噸鋰，其中約四分之一（220 億噸）可開(kāi)采，即儲量。根據每輛電動(dòng)汽車(chē)需要 8 千克鋰的數量估計，我們可以生產(chǎn)近 30 億輛電動(dòng)汽車(chē)，這約為目前道路上汽車(chē)數量的兩倍。

這樣的鋰儲量可以支撐到本世紀中葉。值得慶幸的是，隨著(zhù)我們發(fā)明出更好的開(kāi)采方法，鋰儲量也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而增加。

從供應角度來(lái)看，這或許是個(gè)好消息，但利潤率遠低于應有的水平。盡管目前的鋰儲量可能滿(mǎn)足當前的電動(dòng)轉型需求，但主要問(wèn)題之一是鋰的生產(chǎn)能力。

未來(lái)十年必須擴大鋰產(chǎn)量，以滿(mǎn)足增長(cháng)四倍的需求。因此，即使有足夠的鋰，如果生產(chǎn)速度和工廠(chǎng)產(chǎn)量無(wú)法滿(mǎn)足需求，人為短缺和供應鏈問(wèn)題將會(huì )一直存在。

02/能否緩解這種關(guān)鍵材料短缺的情況？

也許你還記得電影《無(wú)限》中，布萊德利·庫珀服用了一顆藥丸，讓他能夠充分發(fā)揮大腦的潛力。那么，如果我們能用鋰做同樣的事情呢？

我們可能會(huì )錯誤地認為電池在工作時(shí)會(huì )耗盡其全部電量。然而，由于界面不穩定性以及與電解質(zhì)的寄生反應，大多數鋰離子電池正極只能在電壓小于等于 4.2V 時(shí)工作。因此，為了避免活性材料的大量損失和晶體結構的重新排列，正極只能使用約 50% 的板載鋰含量。

目前研究人員一直在努力制造穩定的高電壓正極、穩定的負極和互補電解質(zhì)，但已出現的少數材料仍然存在庫侖效率低和結構退化的問(wèn)題。如果不能保持較高的可逆容量，那么它們在較高電壓下工作也是徒勞的。

值得注意的是，以 Wh 為單位測量的能量容量等于電池的標稱(chēng)容量（以安培小時(shí) (Ah) 為單位）乘以電壓 (V)。在較小的電壓下運行，我們只能使用電池潛在能量容量的一小部分。

但如果像《無(wú)限》中那樣，我們能設計出一種獲得更多電池能量的方案嗎？也許解決方法只是幾納米的材料。

03/ 使用Forge Nano ALD 原子層沉積技術(shù)提升電池效能

Forge Nano 推出了一種名為 Atomic Armor™ 的解決方案，以解決電極結構不穩定的問(wèn)題并從電池中釋放更多容量。

該方法采用原子層沉積(ALD) 技術(shù)，在電池電極材料表面包覆薄膜，可實(shí)現厚度可控、均勻致密的納米涂層。該技術(shù)可保護活性材料免受與電解質(zhì)的寄生反應的影響，當電池在更高的電壓和溫度下工作時(shí)，電解質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)會(huì )變得不穩定。 

但更重要的是，Forge Nano 的 原子層沉積（ALD）工藝還可以防止過(guò)度反應。

圖 2.電化學(xué)循環(huán)前未包覆的 NCA (a) 和 Al2O3 包覆的 NCA (b) 的 TEM 圖像，以及在 3-4.8 V 電壓下（1C/1C 充放電率）循環(huán) 100 次后分別從電池中提取的相同正極（c,d）的 TEM 圖像。

圖 2 很好地展示了 ALD 涂層在高電壓下保持正極顆粒結構完整性的能力。TEM 圖像顯示，在 3.0 – 4.8V 的電壓窗口下循環(huán) 100 次 1C/1C 循環(huán)后，未進(jìn)行包覆的 NCA 顆粒出現了明顯的裂紋和晶體結構退化。然而， Al2O3 ALD 涂層不僅防止了晶格的重大變化，還阻止了表面裂紋向顆粒內部的擴展。

事實(shí)上，通過(guò)防止這些失效機制，ALD 可以大幅提高電池的di一周期庫侖效率，使電池可以在更高的電壓下工作。這不僅意味著(zhù)初始容量更高，而且可逆容量也更高，從而使相同的電池能夠提供比以前更多的能量。

讓我們來(lái)看看使用 Forge Nano 的 Atomic Armor™ 技術(shù)升級電極材料的一些測試數據。

圖 3. 使用原始石墨負極和涂有 Atomic Armor™ 涂層的石墨負極的電池在 4.2V 電壓下循環(huán)的相對容量。

圖 3 比較了在 4.2V 電壓下未包覆涂層的石墨負極的電池和使用 Forge Nano ALD技術(shù)包覆涂層的負極的電池的相對容量。通過(guò)使用該技術(shù)保護電極，我們的可逆容量增加了 11%，甚至無(wú)需在更高電壓下循環(huán)。由于電極表面的反應不會(huì )損失鋰，我們可以來(lái)回移動(dòng)的鋰量大大增加，從而從電池中獲得更多能量。

圖4 .未包覆涂層的 LCO 電池在 4.4V 電壓下工作時(shí)的放電容量，耐久性循環(huán)為 0.5C/1C，而使用相同配方進(jìn)行涂層包覆的電池在 4.5V 電壓下運行時(shí)的放電容量。

圖 4 則進(jìn)一步提高了這一性能。圖 4 顯示了未進(jìn)行涂層包覆的電池在 4.4V 電壓下循環(huán)時(shí)的放電容量，以及使用 Forge Nano ALD 技術(shù)進(jìn)行電極涂層包覆的電池在 4.5V 電壓下循環(huán)時(shí)的放電容量。更高的電壓運行與受保護的電極相結合，電池的初始放電容量提高了 18%。此外，更高的工作電壓不會(huì )影響電池的使用壽命，這意味著(zhù)使用原子盔甲技術(shù)，可以從電池中獲得更多能量，而不會(huì )犧牲電池的使用壽命。

圖 4 中的電池是可用于消費電子應用的電池示例，其目標循環(huán)次數為 200 次。如果這是一部手機，較高的放電容量意味著(zhù)一次充電可以使用兩天，而不是一天。

04/減少鋰需求 

雖然我們不一定能改變未來(lái)對鋰的需求，但我們肯定能更有效地利用鋰，從而較大限度地減輕鋰的開(kāi)采負擔。隨著(zhù)電池能夠在更高電壓下工作，可逆容量增加 10-18% 不等，我們在不改變電池中鋰含量的情況下輸出更多的能量。

例如，北美電池制造生態(tài)系統計劃到 2030 年輸出 1000 GWh 的容量。如果每塊電池的容量只提高 10%，那么現在這 1000 GWh 的工廠(chǎng)產(chǎn)出額定值為 1100 GWh，這將減少對多個(gè)新千兆工廠(chǎng)的需求，并每年節省 10 萬(wàn)噸加工鋰的原料需求，相當于每年節省 100 萬(wàn)噸礦石開(kāi)采過(guò)程中開(kāi)采出的地下材料。這也相當于每年節省 110 萬(wàn)至 370 萬(wàn)噸二氧化碳排放量和 180 萬(wàn)至 800 萬(wàn)立方米用水量。

事實(shí)上，根據麥肯錫公司對鋰供應的研究，雖然我們可以在短期內滿(mǎn)足鋰的需求，但預計到 2030 年，鋰的供應將出現約 40 萬(wàn)噸的缺口。圖 5 顯示了目前到 2030 年的能源和鋰需求預測。如果所有電池都使用 Forge Nano 的 ALD 技術(shù)包覆涂層，容量的提高將減少鋰的需求量，以目前已知的供應量，足以滿(mǎn)足到 2030 年的所有能源需求。在zui*好的情況下，即所有電池都使用 Forge Nano ALD 技術(shù)提升電池容量，到 2030 年，鋰可能仍然過(guò)剩。

圖 5. 到 2030 年的鋰和能源需求以及已知的鋰供應量。Atomic Armor™ 基礎方案顯示了千兆工廠(chǎng)產(chǎn)量增加 10% 后的鋰需求。Atomic Armor™ 高方案顯示了產(chǎn)量增加 18% 后的鋰需求。

通過(guò)使用 Forge Nano 的 Atomic Armor™ 技術(shù)可以有效地利用鋰，大大減輕鋰生產(chǎn)的負擔。使得公司可以安全地提供更高的產(chǎn)能產(chǎn)出，而不必擔心供應鏈短缺；作為消費者，我們也不必擔心鋰供應短缺時(shí)會(huì )支付天價(jià)。

讓 Forge Nano 的 Atomic Armor™ 技術(shù)成為鋰電池發(fā)揮更大效能的良藥！