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如何让您的锂电池发挥更大效能？试试 Forge Nano 先进原子层沉积（ALD）技术！
作者：复纳科技
行业：锂电
产品： Forge Nano, Pandora, Prometheus
关键词：锂电，原子层沉积，锂电电极包覆，Forge Nano
日期：2024-06-27
当今世界正处于转变期，全力迈向电动社会——一个节能减排、实现气候目标并抵御严峻气候变化的社会。为了实现这一转变，我们需要新的材料和技术，而锂已成为这一转变的标志性元素。
可持续、可预测的锂供应链对于电动汽车（EV）、储能和电力网络的重要性日益明显。据国际能源协会 (IEA) 称，到 2040 年，锂将成为需求量最大的矿物质。并且到 2030 年，对锂的需求量预计将达到 200 万吨，才能满足全球 2000 GWh 的能源需求。这在十年内增长了 4 倍，而电动汽车的快速普及甚至可能使实际的需求量超过这一预测。
图 1. 与 2020 年相比，2040 年清洁能源技术对特定电池相关矿物的需求增长。STEPS 和 SDS 代表与气候政策相关的两种不同情景，用于估算需求，其中 STEPS 是国际能源机构提出的最有可能的情景。指数单位是任意的，以显示增长。
01/地球上有多少锂？
据美国地质调查局估计，地壳蕴含约 880 亿吨锂，其中约四分之一（220 亿吨）可开采，即储量。根据每辆电动汽车需要 8 千克锂的数量估计，我们可以生产近 30 亿辆电动汽车，这约为目前道路上汽车数量的两倍。
这样的锂储量可以支撑到本世纪中叶。值得庆幸的是，随着我们发明出更好的开采方法，锂储量也会随着时间的推移而增加。
从供应角度来看，这或许是个好消息，但利润率远低于应有的水平。尽管目前的锂储量可能满足当前的电动转型需求，但主要问题之一是锂的生产能力。
未来十年必须扩大锂产量，以满足增长四倍的需求。因此，即使有足够的锂，如果生产速度和工厂产量无法满足需求，人为短缺和供应链问题将会一直存在。
02/能否缓解这种关键材料短缺的情况？
也许你还记得电影《无限》中，布莱德利·库珀服用了一颗药丸，让他能够充分发挥大脑的潜力。那么，如果我们能用锂做同样的事情呢？
我们可能会错误地认为电池在工作时会耗尽其全部电量。然而，由于界面不稳定性以及与电解质的寄生反应，大多数最先进的锂离子电池正极只能在电压小于等于 4.2V 时工作。因此，为了避免活性材料的大量损失和晶体结构的重新排列，正极只能使用约 50% 的板载锂含量。
目前研究人员一直在努力制造稳定的高电压正极、稳定的负极和互补电解质，但已出现的少数材料仍然存在库仑效率低和结构退化的问题。如果不能保持较高的可逆容量，那么它们在较高电压下工作也是徒劳的。
值得注意的是，以 Wh 为单位测量的能量容量等于电池的标称容量（以安培小时 (Ah) 为单位）乘以电压 (V)。在较小的电压下运行，我们只能使用电池潜在能量容量的一小部分。
但如果像《无限》中那样，我们能设计出一种获得更多电池能量的方案吗？也许解决方法只是几纳米的材料。
03/ 使用Forge Nano ALD技术提升电池效能
Forge Nano 推出了一种名为 Atomic Armor™ 的解决方案，以解决电极结构不稳定的问题并从电池中释放更多容量。
该方法采用原子层沉积(ALD) 技术，在电池电极材料表面包覆薄膜，可实现厚度可控、均匀致密的纳米涂层。该技术可保护活性材料免受与电解质的寄生反应的影响，当电池在更高的电压和温度下工作时，电解质的化学性质会变得不稳定。
但最重要的是，Forge Nano 的 ALD 工艺还可以防止过度反应。
图 2.电化学循环前未包覆的 NCA (a) 和 Al2O3 包覆的 NCA (b) 的 TEM 图像，以及在 3-4.8 V 电压下（1C/1C 充放电率）循环 100 次后分别从电池中提取的相同正极（c,d）的 TEM 图像。
图 2 很好地展示了 ALD 涂层在高电压下保持正极颗粒结构完整性的能力。TEM 图像显示，在 3.0 – 4.8V 的电压窗口下循环 100 次 1C/1C 循环后，未进行包覆的 NCA 颗粒出现了明显的裂纹和晶体结构退化。然而， Al2O3 ALD 涂层不仅防止了晶格的重大变化，还阻止了表面裂纹向颗粒内部的扩展。
事实上，通过防止这些失效机制，ALD 可以大幅提高电池的第一周期库仑效率，使电池可以在更高的电压下工作。这不仅意味着初始容量更高，而且可逆容量也更高，从而使相同的电池能够提供比以前更多的能量。
让我们来看看使用 Forge Nano 的 Atomic Armor™ 技术升级电极材料的一些测试数据。
图 3. 使用原始石墨负极和涂有 Atomic Armor™ 涂层的石墨负极的电池在 4.2V 电压下循环的相对容量。
图 3 比较了在 4.2V 电压下未包覆涂层的石墨负极的电池和使用 Forge Nano ALD技术包覆涂层的负极的电池的相对容量。通过使用该技术保护电极，我们的可逆容量增加了 11%，甚至无需在更高电压下循环。由于电极表面的反应不会损失锂，我们可以来回移动的锂量大大增加，从而从电池中获得更多能量。
图4 .未包覆涂层的 LCO 电池在 4.4V 电压下工作时的放电容量，耐久性循环为 0.5C/1C，而使用相同配方进行涂层包覆的电池在 4.5V 电压下运行时的放电容量。
图 4 则进一步提高了这一性能。图 4 显示了未进行涂层包覆的电池在 4.4V 电压下循环时的放电容量，以及使用 Forge Nano ALD 技术进行电极涂层包覆的电池在 4.5V 电压下循环时的放电容量。更高的电压运行与受保护的电极相结合，电池的初始放电容量提高了 18%。此外，更高的工作电压不会影响电池的使用寿命，这意味着使用原子盔甲技术，可以从电池中获得更多能量，而不会牺牲电池的使用寿命。
图 4 中的电池是可用于消费电子应用的电池示例，其目标循环次数为 200 次。如果这是一部手机，较高的放电容量意味着一次充电可以使用两天，而不是一天。
04/减少锂需求
虽然我们不一定能改变未来对锂的需求，但我们肯定能更有效地利用锂，从而最大限度地减轻锂的开采负担。随着电池能够在更高电压下工作，可逆容量增加 10-18% 不等，我们在不改变电池中锂含量的情况下输出更多的能量。
例如，北美电池制造生态系统计划到 2030 年输出 1000 GWh 的容量。如果每块电池的容量只提高 10%，那么现在这 1000 GWh 的工厂产出额定值为 1100 GWh，这将减少对多个新千兆工厂的需求，并每年节省 10 万吨加工锂的原料需求，相当于每年节省 100 万吨矿石开采过程中开采出的地下材料。这也相当于每年节省 110 万至 370 万吨二氧化碳排放量和 180 万至 800 万立方米用水量。
事实上，根据麦肯锡公司对锂供应的研究，虽然我们可以在短期内满足锂的需求，但预计到 2030 年，锂的供应将出现约 40 万吨的缺口。图 5 显示了目前到 2030 年的能源和锂需求预测。如果所有电池都使用 Forge Nano 的 ALD 技术包覆涂层，容量的提高将减少锂的需求量，以目前已知的供应量，足以满足到 2030 年的所有能源需求。在最好的情况下，即所有电池都使用 Forge Nano ALD 技术提升电池容量，到 2030 年，锂可能仍然过剩。
图 5. 到 2030 年的锂和能源需求以及已知的锂供应量。Atomic Armor™ 基础方案显示了千兆工厂产量增加 10% 后的锂需求。Atomic Armor™ 高方案显示了产量增加 18% 后的锂需求。
通过使用 Forge Nano 的 Atomic Armor™ 技术可以有效地利用锂，大大减轻锂生产的负担。使得公司可以安全地提供更高的产能产出，而不必担心供应链短缺；作为消费者，我们也不必担心锂供应短缺时会支付天价。
让 Forge Nano 的 Atomic Armor™ 技术成为锂电池发挥更大效能的良药！
05/ 关于 Forge Nano
Forge Nano 专注于粉末原子层沉积技术（PALD)，凭借其专有的 Atomic Armor™ 技术，能够使产品开发人员设计任何材料直至单个原子。Atomic Armor™ 工艺生产的卓越表面涂层能够释放材料的最佳性能，实现延长寿命、提高安全性、降低成本和优化产品的功能。可开发定制解决方案，满足任何规模的任何需求，包括从小规模研发和实验室级别到工业规模、大批量生产。
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了解更多 Forge Nano 产品及原子层沉积（ALD）技术详情，欢迎扫描下方二维码填写信息。咨询热线：400 857 8882
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参考文献
【1】Mineral requirements for clean energy transitions – The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions – Analysis – IEA
【2】Researchers Warn The EV Transition Needs Too Much Nasty Lithium. That’s Not How Transitions Work (forbes.com)
【3】Electric cars and batteries: how will the world produce enough? (nature.com)
【4】Electric Vehicles are Forecast to Be Half of Global Car Sales by 2035 (goldmansachs.com)
【5】Mohanty, D., Dahlberg, K., King, D. et al. Modification of Ni-Rich FCG NMC and NCA Cathodes by Atomic Layer Deposition: Preventing Surface Phase Transitions for High-Voltage Lithium-Ion Batteries. Sci Rep 6, 26532 (2016).
【6】Kelly, J.C., Wang, M., Dai, Q., and Winjobi, O. Energy, greenhouse gas, and water life cycle analysis of lithium carbonate and lithium hydroxide monohydrate from brine and ore resources and their use in lithium ion battery cathodes and lithium ion batteries. Resources, Conservation and Recycling, 174 (2021).
【7】lithium-mining-how-new-production-technologies-could-fuel-the-global-ev-revolution.pdf (mckinsey.com)
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