中国教育装备采购网 【立即登录】 【免费注册】
资讯
专题
人物访谈
政府采购
产品库
求购库
企业库
院校库
案例·技术
会展信息
行业日历
体采通

原子层/分子层沉积技术助力新一代高性能储能器件研究

中国教育装备采购网 2020/3/2 11:05:46 围观752次 我要分享

  引言

  原子层/分子层沉积(ALD/MLD, Atomic layer deposition/Molecular layer deposition)技术, 是指将被沉积物质以单原子/单分子形式逐层附着在基底上的一种化学气相沉积技术。它利用饱和化学吸附的特性,可以确保对大面积、多孔、管状、粉末或其他复杂形状基体的高保形均匀沉积,是一种真正的“纳米”技术。相比于传统的沉积方法,ALD/MLD技术具有如下特点

  (1)  沉积具有自限性(self-limiting),厚度可以精确控制,达到Å数量级;

  (2)  可沿众多不规则表面均匀附着厚度均匀的薄膜;

  (3)  沉积温度较低,适用于许多热稳定性不佳的物质的沉积(如有机物)。

  (4)  沉积薄膜化学、物理、机械性能的可调控性

  基于以上优点,近年来ALD/MLD技术在能源领域的应用逐渐增多(ACS Energy Letters, 2018, 3, 899-914),报道侧重于ALD或MLD控制膜均匀性的特点研究,并将其应用于液态及全固态电解液电池(特别是电极/电解液界面的修饰和控制),攻克了二次电池领域的诸多难题,展示了巨大的应用潜力,为未来研发高性能电池器件提供重要的参考和指导,指明了前进的方向。

  美国ARRADIANCE公司的GEMStar系列台式原子层沉积系统(如图1所示),在小巧的机身(78 * 56 * 28 cm)中集成了原子层沉积所需的所有功能,可最多容纳9片8英寸基片同时沉积。全系配备热壁,结合前驱体瓶加热,管路加热,横向喷头等设计,使温度均匀性高达99.9%,气流对温度影响减少到0.03%以下。高温度稳定度的设计不仅可在8英寸基体上实现厚度均匀的膜沉积(其厚度均匀性高于99%),而且适合对具有超高长径比孔径的3D结构进行均匀薄膜覆盖,在高达1500:1长径比微纳深孔内部也可均匀沉积。GEMStar系列ALD系统可实现高深宽比结构沉积、半导体微纳结构制备以及微纳粉末包覆,已被广泛应用于锂离子电池,燃料电池,超级电容器,LED等研究领域。

原子层/分子层沉积技术助力新一代高性能储能器件研究

图1. 美国ARRADIANCE公司生产的GEMStar系列台式三维原子层沉积系统

  应用案例

  加拿大西安大略大学孙学良教授团队长期从事高性能能源存储器件的研究和应用,包括锂离子电池,钠离子电池,锂金属电池,固态电解液电池, 燃料电池等,充分利用ALD/MLD技术的独特优势,从ALD/MLD技术在液态锂离子电池中的应用出发,探讨改善液态锂离子电池表界面问题和挑战,并延伸到全固态电池的研究上,全面阐述了ALD/MLD在解决固态电池体系不同界面问题中所扮演的重要角色、尚存的技术挑战、可能的解决方案以及未来的发展方向。以下我们分别从ALD/MLD技术在液态电解质电池和全固态电池研究上,来详细阐述GEMStar系列台式原子层沉积系统在精确控制电池电极界面及材料结构方面的独特优势(如图2所示)。

原子层/分子层沉积技术助力新一代高性能储能器件研究

图2. ALD/MLD技术在液态电解液电池及固态电池中的应用

  液态电解质电池

  ALD/MLD技术在液态电解质电池中的应用主要从两个方向出发:1)电极材料的制备;2)界面改性。ALD/MLD技术合成的不同材料,包括金属氧化物,固态电解质,有机薄膜等,已经被成功用于液态电极的界面改性。尽管ALD/MLD其薄膜生长速率较低,使得它在大规模电极制备上不具有竞争力,然而在微纳米尺度的薄膜电池/三维电池及界面改性上具有其独特的优势。以下我们分别就锂离子电池正极和负极保护材料两个方面的制备和界面改性方面分别进行阐述。

  锂离子电池正极材料

  传统液态锂电池正极材料尖晶石型LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO),在电池循环过程中其表面和近表面会发生许多副反应以及不可逆的相变,极大的影响电池的循环容量和稳定性。为了解决这一问题,孙学良院士课题组使用美国Arradiance公司生产的型号为GemStar-8 的台式ALD沉积系统,设计了新型多位点Ti掺杂的锂离子电池正极材料,将无定形TiO2包覆在尖晶石型LNMO表面并热处理,实现了Ti元素在尖晶石结构表面和内部的多位点掺杂(图3A),其中表面的Ti部分进入尖晶石结构四面体配位的位点,其余的Ti替代八面体配位的过渡金属,这种多位点掺杂效应对材料的电化学性能起到了决定性的作用,相比于原始的LNMO,掺杂后的材料表现出了更低的表面阻抗,这是由于四面体配位的Ti能够减缓过渡金属迁移到八面体空位上,保证了锂离子的快速传导。相关工作发表在2017年的Advanced Materials上 (DOl: 10.1002/adma.201703764)。

原子层/分子层沉积技术助力新一代高性能储能器件研究

图3. (A) 基于ALD技术的多位点Ti掺杂LNMO正极材料,(B) ALD/MLD制备人工合成的双层锂金属负极保护膜。

  碱金属(锂/钠)负极材料保护膜

  具有高理论比容量的锂金属负极是研发下一代高能量密度的终极选择。但锂金属负极其自身极强的反应活性引发了一系列问题,如锂枝晶的生长,与液态电解液的副反应,死锂层的形成以及在充放电过程中Li金属膨胀-收缩导致的结构破坏,都会极大地降低金属锂负极的实用性。孙教授团队从SEI (固体电解质界面层)的形成机理出发,提出形成稳定的SEI层可以抑制锂枝晶的生长,进而提高电池的循环稳定性。2019年孙教授团队报道了一种新型人工合成的类天然SEI的人工SEI保护膜(图3B),大大提高了电池的循环稳定性和容量保持率。这种双层(靠近锂金属的内层为致密含锂无机层,靠近电解液的外层为疏松含锂有机层)的人工SEI结构可以通过ALD/MLD实现。首先通过ALD/MLD技术沉积无机层(Al2O3), 再在无机层表面沉积有机层(alucone, 一种烷基氧铝),双层结构的成分和厚度可以通过ALD/MLD过程精确控制,并通过表征无机、有机膜次序和厚度对薄膜机械性能的影响,对体系进行优化,在对称电池和锂空气电池种展现除了优异的循环性能(Matter, 2019, DOI: 10.1016/j.matt.2019.06.020)。该工作为未来深入研究SEI组成提供了重要的参考和指导,有望作为稳定的下一代锂金属电池负极材料。相似的新型铝基有机无机复合薄膜(alucone)以及分子层沉积Zircone分别作为金属钠负极保护层和锂金属界面膜的工作也发表在2017年的Nano letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02464)和2019年的Angew. Chem. Int. Ed.上( DOI:10.1002/anie.201907759)。

  全固态电解质电池

  全固态电池由于其具有高能量密度和高安全性能,被认为是最具有潜力的下一代电池体系。然而,全固态电池仍有许多挑战亟待解决。其中界面问题(包括界面不匹配、界面副反应和界面空间电荷效应)是影响全固态电池性能的主要因素之一。有效地解决界面问题是攻克全固态电池难关的重中之重。界面修饰及改性是被广泛报道改善界面问题的重要途径。其中,制备界面层材料的技术及界面层材料的性质将是界面层稳定性的决定因素。ALD/MLD技术有望在固态电池界面修饰及改性上扮演重要的角色,包括界面改性材料的制备(图4A),固态电解质的制备(图4B),ALD界面材料用于阻隔电极与固态电解质副反应(图4C),改善固态电解质与金属锂的润湿性(图4D),保护金属负极(图4E)以及薄膜/三维固态电池的制备(图4F)等。ALD/MLD有望解决全固态电池的界面问题,满足人们对于高安全性以及高能量密度电池的需求,成为下一代电池的有力竞争者。孙教授团队对近几年ALD/MLD技术在固态电池中的应用作以归纳、总结与分析,并对ALD/MLD在固态电池中的应用作以展望相关工作发表在2018年的Joule上(DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.012)。

原子层/分子层沉积技术助力新一代高性能储能器件研究

图4. ALD/MLD技术在固态电池中的应用. (A)不同的界面改性材料; (B) ALD技术制备LiPON固态电解质; (C) ALD界面层阻隔电极与固态电解质副反应; (D) ALD薄膜改善固态电解质与金属锂的润湿性; (E) 固态电池体系中,ALD/MLD在保护金属负极中的应用; (E) ALD/MLD技术制备三维固态薄膜电池.

  综上所述,ALD和MLD技术正在发挥着重要作用以解决液态电解质和全固态电池中的界面挑战。我们相信,将ALD/MLD技术成功用于新一代高性能储能器件的设计和研发,有望为实现高能量密度和高安全性的下一代全固态电池提供新的机遇。

点击进入QUANTUM量子科学仪器贸易(北京)有限公司展台查看更多 来源:中国教育装备采购网 作者:Quantum量子科学仪器贸易(北京)有限公司 责任编辑:王道 我要投稿
2020全国教育装备云展会
采购网二维码

扫一扫,欢迎关注

教育装备采购网官方微信

掌握教育装备行业最新、最权威资讯

相关阅读

  • QD中国邀请您参加4月1日《在新技术下探索单原子催化剂(SACs)的合成、表征和催化机理》线上讲座

    QD中国邀请您参加4月1日《在新技术下探索单原子催化剂(SACs)的合成、表征和催化机理》线上讲座
    中国教育装备采购网03-30
    [报告概述]单原子催化剂以其超越传统纳米催化剂,在活性、选择性和稳定性的优异表现,有望成为具有工业应用潜力的新型催化剂。而从分子层次认识单原子...
  • 12月26日在线研讨会 |燃料电池HIL仿真测试解决方案

    12月26日在线研讨会 |燃料电池HIL仿真测试解决方案
    中国教育装备采购网12-20
    氢燃料电池汽车以零污染、加氢时间短、续航里程长等优点,目前已成为我国新能源汽车产业的重要发展方向。针对燃料电池发动机控制器(FCU)开发过程中,...
  • Nano Energy:分子层沉积技术助力铂基催化剂性能提升

    Nano Energy:分子层沉积技术助力铂基催化剂性能提升
    中国教育装备采购网05-28
    由于在氢氧化(hydrogenoxidation)和氧还原(oxygenreduction)反应中的高效催化特性,铂基催化剂被广泛地应用于质子交换膜燃料电池当中的关键组成部...
  • 锂离子电池正极三元NCM材料的真密度表征

    锂离子电池正极三元NCM材料的真密度表征
    中国教育装备采购网02-25
    前言锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。随着能源的紧缺和世界环保方面的压力,锂离子电池被广...
  • 日本JIS C 8711:2000锂离子电池标准主要测试项目及指标1
    中国教育装备采购网11-05
    日本JISC8711:2000锂离子电池标准主要测试项目及指标项目检测方法指标要求0.2C5A放电性能20℃5℃,终止电压2.50V/节,可重复5次。C5低温性能-20℃5℃恒温16~24h,0.2C5A放电,终止电压2.50V/节.3...
  • OPTON的微观世界第7期 性能形貌学的实际应用

    OPTON的微观世界第7期 性能形貌学的实际应用
    中国教育装备采购网03-29
    锂离子电池负极材料的改性序言通常商用的锂离子电池都选用碳来做负极材料。但是碳材料作为锂离子电池负极材料,脱锂嵌锂电位比较低,容易引起金属锂的...
  • 锂离子电池行业比表面及孔结构技术研讨会

    锂离子电池行业比表面及孔结构技术研讨会
    中国教育装备采购网03-14
    尊敬的电池行业用户及同仁:您好!莺歌燕舞、春意盎然,在2017年春天之际,秉着全球范围内锂电池发展强力牵引力,同时应国内用户的广泛要求,作为在锂电...
  • 锂离子电池在不同温度下的容量衰退表现

    锂离子电池在不同温度下的容量衰退表现
    中国教育装备采购网11-25
    锂离子电池在不同温度下的容量衰退表现锂离子电池越来越广泛地应用到人们的生产生活当中,这使得它的温度环境成为关注的要点,相对来说,锂电池更容易...
  • 版权与免责声明:

    ① 凡本网注明"来源:中国教育装备采购网"的所有作品,版权均属于中国教育装备采购网,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:中国教育装备采购网"。违者本网将追究相关法律责任。

    ② 本网凡注明"来源:XXX(非本网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。

    ③ 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起两周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

    2020全国教育装备云展会