原子層沉積ALD在鋰電池方面的應(yīng)用
原子層沉積（ALD）薄膜沉積可以合成具有原子級精度的材料，基于自限的膜納米級的控制，可以實現(xiàn)多組分膜的化學(xué)成分控制、大面積的薄膜/工藝的可重復(fù)性，具備低溫處理以及原位實時監(jiān)控等技術(shù)特征。該技術(shù)在鋰離子電池，太陽能電池，燃料電池以及超級電容器中都具有廣泛的應(yīng)用。ALD已經(jīng)被公認是一種非常有前途的工具可以用來解決鋰離子電池以及其他電能儲存設(shè)備所面臨的問題。
1、ALD在電極材料及電解質(zhì)制備中的應(yīng)用
a、ALD 用于負極材料的制備
采用ALD技術(shù)制備的負極材料主要集中在過渡金屬氧化物(TMOs), 如RuO2, SnO2, TiO2和ZnO. 其能量密度比傳統(tǒng)的石墨電極高。同時，為了解決TMOs負極材料所面臨的挑戰(zhàn)，如SnO2在循環(huán)過程中較大的體積變化，TiO2低的電子跟離子電導(dǎo)率，由超高電導(dǎo)率的碳基材料如石墨烯，碳納米管以及Mxenes與TOMs組成的復(fù)合負極材料可以很好的融合兩者的優(yōu)勢。如：ALD制備的TiO2/CNF-CFP(carbon fiber paper)負極，具有高可逆容量（272 mAh g−1 at 0.1 A g−1），超高倍率性能(133 mAh g−1 at 40 A g−1) 以及超長循環(huán)穩(wěn)定性（≈ 93%容量保持率在10000 圈 at 20 A g−1）。
b、用于正極材料的制備
通過ALD技術(shù)制備的正極材料有非鋰化正極如V2O5, FePO4; 鋰化正極如LiFePO4, LiCoO2以及LixMn2O4。
如TiO2/V2O5/@CNT paper正極在100 mAg-1的電流密度下的放電比容量為400 mAhg-1，達到了理論放電比容量。 同時，正極材料V2O5的溶解問題可以通過TiO2層得到有效抑制，同時不損失容量跟倍率性能。
c、SSEs固態(tài)電解質(zhì)的制備
歸功于其安全性及循環(huán)穩(wěn)定性，全固態(tài)鋰離子電池近來成為了研究的熱點。ALD可以解決全固態(tài)鋰離子電池所面臨的兩大關(guān)鍵性挑戰(zhàn)a.高界面阻抗，b.低離子電導(dǎo)率。 最近采用ALD制備的固態(tài)電解質(zhì)有LiPON, Li7La3Zr2O12, LixAlySizO, LixTayOz, LixAlyS and Li2O-SiO2.這些含鋰SSEs提供了一個關(guān)鍵的技術(shù)平臺來制備高能量密度，長壽命以及安全的可充放電池。如下圖所示，ALD制備的LLZO為制備3D全固態(tài)鋰離子微電池提供了一條技術(shù)路線。
2、ALD在電池電極，隔膜，集流體等表面修飾領(lǐng)域的應(yīng)用
a、ALD對負極表面修飾的應(yīng)用
在負極材料中，ALD表面/界面修飾技術(shù)主要為了解決從SEI膜引發(fā)的系列問題。在循環(huán)過程中，SEI膜的大量形成以及體積變化會引起電極的破壞，從而引發(fā)新的暴露面導(dǎo)致容量的衰減。如在石墨負極表面沉積Al2O3可以在電池循環(huán)了200圈之后有效地保持98%的首圈容量。
鋰金屬作為負極材料的未來之星，在鋰金屬的沉積跟剝離過程中，鋰枝晶的生長導(dǎo)致電池短路的問題亟待解決。采用ALD技術(shù)在鋰金屬表面構(gòu)建例如有機/無機復(fù)合人工SEI膜，可以有效地抑制鋰枝晶的生長。
b、ALD對正極表面的修飾作用
為了解決正極材料表面所面臨的電解液分解，相變，析氧以及過渡金屬溶解等問題,采用ALD技術(shù)在正極材料表面沉積保護層可以作為物理阻擋層或者HF清除層，從而有效地提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性跟倍率性能。在正極材料（層狀結(jié)構(gòu)：LiCoO2, LiNixMnyCozO2,富鋰(Li-rich)xLi2MnO3·(1 − x)LiMO2(M = Mn, Ni, Co)，尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn2O4)表面沉積的ALD鍍層主要可以分為四類：a金屬氧化物：Al2O3, TiO2, ZrO2, MgO, CeO2, Ga2O3; b氟化物：AlF3, AlWxFy; c磷化物：AlPO4,FePO4; d含鋰化合物：LiAlO2, LiTaO3, LiAlF4。
