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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)!

來(lái)源:復納科學(xué)儀器(上海)有限公司   2024年06月27日 13:41  

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。

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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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!


 

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