电池是人们不会想到的日常用品 – 直到它们用完果汁。尤其是对象越普遍，例如笔记本电脑和手机，每天都需要让电池充电。
但密苏里科技大学的研究人员正致力于解决锂离子电池短寿命的问题，如笔记本电脑和手机中使用的那些，使用称为原子层沉积的薄膜涂层技术使其可靠且持久。 ALD)。他们的论文题目是“利用掺杂和薄膜涂层的协同效应来提高锂离子电池阴极颗粒的性能”，该论文发表在自然出版集团期刊“ 科学报告 ”上。
密苏里科技大学化学与生物化学工程助理教授梁新华博士领导该项研究，同时通过ALD涂覆锂氧化镍镍氧(LMNO)和氧化铁。掺杂是指将元素或化合物添加到晶体结构或晶格中，填充LMNO中的间隙。涂层就像听起来一样，在整个化合物周围涂上超薄的氧化铁层。Rajankumar Patel，密苏里州S&T博士。化学工程的候选人将于下周毕业，完成了该项目的大部分实验工作。
LMNO的工作电压窗口使其成为混合动力电动汽车(HEV)的潜在候选者。然而，由于高温循环期间的高容量褪色和氢氟溶解锰(3+)，它在HEV中尚未获得商业可用性。
“与当前的研究实践不同，要么用绝缘薄膜覆盖颗粒表面，要么涂抹颗粒以改善电池的性能，”Liang说，“这种ALD工艺将涂层和掺杂工艺结合为一体，并应用这种技术使可充电锂离子电池使用寿命更长。“
“这是关于在ALD涂层过程中离子铁进入LMNO晶格结构的独特现象的第一份报告，”Patel说。
比制造方面更重要的是电池在长时间内提供持续性能的能力，这对消费者来说是一个很大的好处。密苏里州的S&T工艺生产的锂离子电池在室温下充电和放电1000次循环后的容量保持率为93%，在高温下为91%。梁说，这相当于大约三年的电池续航时间，与新电池的性能几乎相同。
这项工作是由S&T研究人员建造的ALD反应堆系统完成的，涂层工艺在450摄氏度的减压下进行。将材料置于流化床反应器内，并且振动马达摇动反应器以改善颗粒和气态化学品的混合。Patel和他的同事发现，30到40个循环 – 产生约0.6纳米的涂层 – 产生了最好的结果。
通过配备氧化铁涂覆样品的电子能量色散谱仪(STEM-EDS)的横截面扫描透射电子显微镜验证离子铁渗透到LMNO的晶格结构中，并且通过以下方式直接观察到超薄氧化铁膜。透射电子显微镜。
最后，他们制造纽扣电池，在各种测试条件下一次充电和放电几十个，以测量并确保结果随着时间的推移而保持不变。ALD具有制备这些具有最佳厚度和导电涂层和元素掺杂的协同效应的超薄电化学活性薄膜的潜力，为该行业提供了新颖设计的电极，其耐用且在高温和快速循环速率下具有功能。
通过他们所有的工作，这个过程背后产生更好的锂离子电池特性的确切现象是一项持续的研究。
“这对我们来说仍然是一个谜，”梁说。“我们的重点是更好地了解这一过程如何发生并控制它。”
