如何让您的锂电池发挥更大效能？试试先进原子层沉积(ALD)技术！

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zui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quan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 原子层沉积技术提升电池效能

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。 

但更重要的是，Forge Nano 的 原子层沉积（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di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，从而较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zui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！