电动汽车电池的下一个前沿：纳米涂层、原子层沉积可以增强存储容量和耐用性
过去25年里，电动汽车单次充电后的最长续航里程已从约260公里提升至略高于800公里。这些先进的电池组越来越多地开始从电网或可再生能源中储存能量，以供家庭或企业使用。因此，全球汽车电池市场年规模超过500亿美元也就不足为奇了，而生产数量更多、性能更佳的电池的压力也越来越大。
如今，数家公司正在采用一种名为原子层沉积（ALD）的成熟化学技术，用金属氧化物或氮化物涂覆电池电极，据称这能提高锂离子电池的能量容量和寿命。这些公司包括总部位于科罗拉多州索伦托的Forge Nano、圣克拉拉（加利福尼亚州）应用材料公司的全资子公司Picosun，以及芬兰埃斯波的Beneq。这些公司正在利用20世纪60年代最初开发的这项技术。经过多年的工艺改进，这些公司现在希望在由宁德时代、松下和三星等巨头主导的电动汽车和智能手机电池市场中占有一席之地。
在这三家公司中，Forge Nano的技术似乎最为成熟。该公司最近宣布，其子公司Forge Battery已开始向客户发送用ALD涂层材料制成的原型电池样品进行测试。Forge Nano表示，其专有的ALD配方（称为Atomic Armor）能使电池的电极更好地储存能量，并延长其使用寿命。
锂离子电池由哪些部分组成？
当今电动汽车和智能手机中的电池主要由三个主要部分组成。阳极（负极）通常由石墨制成，在充电过程中储存锂离子。阴极（正极）由锂金属氧化物制成，如钴酸锂或磷酸铁锂。然后是电解质，它是一种溶解在有机溶剂中的锂盐，允许锂离子在阳极和阴极之间移动。分隔器也很重要，它是一种半多孔材料，允许离子在充电和放电过程中在阴极和阳极之间移动，但阻止电子直接在两者之间流动，否则电池会迅速短路。
这些公司表示，在分子层面对构成阳极、阴极和分隔器的材料进行涂层处理，可以在不显著增加电池重量或体积的情况下，提升电池的性能和耐用性。
这些薄膜是由两种气态前驱体物质之间的化学反应形成的，它们依次被引入基底。第一个前驱体与基底表面的活性位点反应，即前驱体分子和基底表面之间发生化学结合的点。然后，在将所有未反应的前驱体气体抽出后，引入下一个前驱体，并在各自的活性位点与第一个前驱体结合。原子层沉积（ALD）技术是自终止的，这意味着当所有活性位点都被填满时，反应就会停止。薄膜每次形成一个原子层，因此，只需在达到所需涂层厚度后切断基底与前驱体的接触，就可以将厚度精确设定到几十分之一纳米。
在传统的锂离子电池中，石墨阳极中会添加硅（有时还有其他材料）来提高阳极储存离子的能力。这种做法提高了能量密度，但硅更容易与电解质发生副反应，并且在充电和放电过程中会发生膨胀和收缩，这会削弱电极。最终，这种机械损耗会降低电池的储能能力。而原子层沉积技术通过在阳极分子上涂覆一层保护层，使得阳极中硅的比例更高，同时抑制了膨胀-收缩循环，从而减缓了机械损耗。结果是，电池更轻、能量密度更高，且比传统锂离子电池更耐用。
Picosun表示，其原子层沉积技术已用于制造涂层镍氧化物阳极，其储能容量是传统石墨阳极的两倍多，能量密度则是其三倍。
好处有多大？Forge Nano表示，尽管正在进行第三方测试和验证，但现在还为时过早，无法对涂层增强型电池的寿命做出明确声明。但公司发言人告诉IEEE Spectrum，迄今为止收到的数据表明，与目前市场上同类电池相比，其能量提高了15%。
该公司坚信，电池生产链上的所有参与者——从阳极和阴极制造商到一级电池供应商，甚至电动汽车制造商——都将把其对原子层沉积技术的看法视为电池制造中不可或缺的一步。Forge Battery正在北卡罗来纳州建造一座25,700平方米的超级工厂，该公司表示，该工厂在2026年投入运营后，将生产1吉瓦时的Atomic Armor增强型锂离子电池和成品电池。
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