粉末材料因为较高的比表面积和表面缺陷的限制，存在易团聚，寿命短等缺陷，制约了其应用的发展。为了克服这些缺陷，采用粉体表面改性的方式可极大程度的提升。传统的液相包覆或气相包覆手段都无法实现均匀以及厚度的精密控制，限制了包覆技术的进一步发展。原子层沉积技术（ALD）是一种自限制性的化学气相沉积手段，通过将目标反应拆解为若干个半反应，实现表面涂层的原子层级厚度控制（0.1-100nm）。

ALD 的基本原理：自限制性的周期涂层生长

利用该技术制备的涂层具有：共形，无针孔，均匀的特点，而利用原子层沉积方法在粉末表面构筑涂层的方式被称为 —— 粉末 / 颗粒原子层沉积（PALD）。使用该法可以制备金属单质，金属氧化物，氮化物，硫化物，磷酸盐，多元化合物以及有机聚合物等涂层。

PALD 技术制备的薄膜更均匀

(左：溶胶凝胶法；右：ALD)

传统原子层沉积系统的局限

长期以来，ALD 技术只用于平面样品，如硅片等二维基材。这是因为粉末材料超高的比表面积以及易于团聚的特性限制了 ALD 反应的效率，自上世纪 90 年代以来，学术界展开了多种方案的研究，Forge Nano 依托全球最早展开规模化 PALD 技术开发的美国科罗拉多大学，发展出从公斤级到千吨级的粉末样品包覆方案。（相关内容：如何通过原子层沉积技术实现高质量粉末包覆（PALD））

Forge Nano 为粉末样品开发的原子层沉积系统

为什么要用 PALD（粉末ALD）设备而不是传统 ALD 设备处理粉末样品

难点 1. 高比表面积带来的沉积效率问题

与同质量或体积的平面样品相比，粉末材料的比表面积会高出几个数量级。而想要实现粉末表面的全覆盖，ALD 反应的时间会更长，单周期反应时间会从分钟到小时不等。更长的反应时间决定了更大量的前驱体消耗（单周期多次加药）以及对反应物及产物的在线监测。而平面 ALD 设备的腔室尽可能设计的小，同时由于半导体 ALD 工艺较快的反应周期，一般会选择测试镀层厚度或质量的变化，而不会监测反应物和产物的变化，但这并不适用于粉末样品。粉末 ALD 设备会考虑到大批量单次加药的需求，并利用在线质谱实时监测反应过程中前驱体以及产物的变化，从而判断涂层生长的状况。

难点 2.  粉末易团聚，传统方法很难实现均匀的涂层包覆

粉末材料颗粒间的范德华力和颗粒表面水分引起的液桥力均会造成严重的团聚，影响粉末分散性，对包覆造成不良影响。此外前驱体的注入方向如不能穿过粉末床层，则前驱体与粉末无法充分接触，反应不充分。因此所有的粉末表面改性方法都需要考虑如何使粉末分散并与反应物充分接触。粉末 ALD 设备会采用诸如：流化，旋转，振动等手段辅助粉末在 ALD 反应的过程中持续保持分散状态。

不进行粉末分散很难得到均匀的粉末表面涂层

难点 3.  如何扩大为工业级方案

使用半导体 ALD 设备或者其它 PVD 的方法可以处理毫克或者克级的粉末样品，但却很难处理百克级甚至公斤级的粉末。只有解决粉末 ALD 反应的效率问题以及均匀性，方案才有放大的可能性。Forge Nano 可在所有实验级方案的基础上，采用空间 ALD 的方法，可放大实现千吨级的粉末处理量。

小至毫克，大至千吨的 PALD 方案，成果转化的完美选择

Forge Nano 专为科研打造的 PALD 利器

Prometheus 振动流化床原子层沉积系统

• 克级 - 公斤级批次粉末处理

• 流化，振动全方位粉末分散

• 2-8 路前驱体通道

• 原位质谱在线监测

Pandora 多功能原子层沉积系统

• 单次 1-100ml 粉末处理量

• 粉末旋转分散，快速上手

• 3-6 路前驱体通道

• 平面/粉末样品多用

Forge Nano  相关应用

01  催化

通过 PALD 技术，可以实现催化剂粉末材料表面的涂层或活性位点制备。无论是在化工品催化或典型的制氢 / 燃料电池中，纳米级催化剂存在烧结或者浸出的问题。使用 ALD 技术可以在典型的如 Pd / Al₂O₃ 催化剂表面构筑涂层，可避免催化剂的烧结与浸出，从而使实现稳定的芳烃氢化反应。

PALD 的几个常见应用场景：全包覆钝化，活性组分，催化剂壳层

对于非粉末的样品如一维纳米线，来自美国国家可再生能源实验室的研究中，使用高通量的 ALD 技术构筑 Pt 催化剂涂层，可实现 Ni / Co 纳米线材料的高效催化，并防止金属元素浸出损耗。同时由于 ALD 方法的独特性，使其成为构筑单原子层催化剂的有效手段。

PALD 在纳米线表面构筑催化剂涂层促进高效催化

02  锂电电极材料包覆

以锂离子电池为代表的电池材料，在充放电时存在容量不可逆转的下降，甚至引起安全事故。对电极材料（正极钴酸锂，三元体系；负极石墨，硅材料）的包覆处理是从源头改善电池性能的重要手段。

PALD 在 NMC 粉末表面包覆氧化物涂层

通过对正极包覆常规的氧化物或者固态电解质涂层，可以明显提升电池的电化学性能，并提升其安全性。而对于硅负极材料，有机 MLD 涂层可以较好地匹配硅负极体积膨胀的特点，有效提升使用寿命。利用 ALD 可包覆均匀保形且厚度可控的 ALD 涂层，可有效替代干法以及湿法，在工业层面实现量产级别包覆。（相关内容：粉末 ALD 包覆技术为电池穿上铠甲）

硅负极表面包覆 MLD 涂层

ALD 包覆后的高压条件循环使用寿命有明显提升，同时其热失控风险降低

02  金属 / 陶瓷粉末

金属粉末在包括粉末冶金，光伏，MLCC 浆料等领域都有较多应用。通过 ALD 技术进行粉末包覆后，材料的抗侵蚀，耐潮，流动性有明显改善，同时涂层成分的变化还可以赋予粉末功能，如改变其反射率，亲水性等，扩大应用场景。

ALD 对金属 / 陶瓷粉末实现表面钝化

我们的合作伙伴

PALD（粉末原子层沉积）技术在提出后，因为缺乏低成本高通量的包覆手段，一直没有被广泛应用到粉末工程中。

Lichty 在科罗拉多大学就读期间参与开发了规模化的 PALD 纳米涂层技术，但学校的技术应用部拒绝将其推向市场。随后 Paul Lichty 用一美元买下了此专利并成立了 ForgeNano 公司，继续 PALD 技术的研发和推广事业，且成功获得大众、LG 化学等大型企业的投资。

十年后，FN 成为全球唯一可实现 ALD 粉末包覆工业级量产的企业，并已为橡树岭国家实验室、马里兰大学、美国国家可再生能源实验室等研究院所提供 PALD 解决方案，并与众多全球 500 强企业展开规模化 PALD 应用合作开发。

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