电动汽车电池的下一个前沿：纳米涂层

Forge Nano

在过去的25年里，电动汽车单次充电的最长续航里程从约260公里增加到略高于800公里。这些先进的电池组也越来越多地开始储存电网或可再生能源的能量，以期为家庭或企业供电。难怪全球汽车电池市场每年超过500亿美元，不难看出，生产更多更好电池的压力已经越来越大（https://www.fortunebusinessinsights.com/automotive-battery-market-106486）。

现在，几家公司正在应用一种名为原子层沉积（ALD）的成熟化学技术，在电池电极上涂覆金属氧化物或氮化物，他们声称这可以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桑顿的Forge Nano、Picosun（总部位于加利福尼亚州圣克拉拉的Applied Materials公司的全资子公司）和位于芬兰埃斯波的Beneq —— 他们正在利用这项最初于20世纪60年代开发的技术（https://www.sciencedirect.com/topics/chemical-engineering/atomic-layer-deposition#:~:text=Atomic%20layer%20deposition%20(ALD)%20is,as%20precursors)%20%5B5%5D.）。经过多年对各自工艺的改进，这些公司现在希望在CATL、松下和三星等巨头主导的电动汽车和智能手机电池市场站稳脚跟。

在这三家公司中，Forge Nano似乎拥有最先进的技术。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。该公司表示，其专有的原子层沉积配方，称为Atomic Armor，使电池电极更善于储存能量，并有助于延长电池寿命。

今天的电动汽车和智能手机中的电池由三个主要部件组成。阳极或负极通常由石墨制成，是充电过程中储存锂离子的地方。阴极（正极）由锂金属氧化物制成，如锂钴氧化物或锂铁磷酸盐。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。同样重要的是隔膜，这是一种半多孔材料，在充电和放电过程中允许离子在阴极和阳极之间移动，但会阻止电子直接在两者之间流动，从而迅速使电池短路。

Forge Nano

这些公司表示，在分子水平上涂覆构成阳极、阴极和隔膜的材料，可以提高电池的性能和耐用性，而不会明显增加其重量或体积。

薄膜是通过两种气态前体物质之间的化学反应形成的，这两种前体物质依次引入基材。第一种材料在活性位点与基材表面反应，即前体分子和基材表面上两种材料化学结合的点。然后，在所有未反应的前体气体被抽出后，引入下一个前体，并在其各自的活性位点与第一个前体结合。ALD技术是自终止的，这意味着当所有活性位点都被填充时，反应就会停止。薄膜一次形成一个原子层，因此一旦达到所需的涂层厚度，只需切断基材与前体的接触，其厚度就可以精确地设置为十分之几纳米。

在传统的锂离子电池中，使用石墨阳极，硅（有时是其他材料）被添加到石墨中，以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，并在充电和放电过程中发生膨胀和收缩，从而削弱电极。最终，机械退化会降低电池的存储容量。ALD技术通过在阳极分子上涂覆保护层，使阳极中的硅比例更高，同时抑制膨胀-收缩循环，从而减缓机械退化。其结果是一种更轻、能量密度更高的电池，比传统的锂离子电池更耐用。

Picosun表示，其ALD技术已被用于制造涂层氧化镍阳极，其储能能力是传统石墨阳极的两倍多，能量密度是传统石墨的三倍（https://news.cision.com/picosun-oy/r/high-performance-lithium-ion-battery-materials-with-picosun-ald,c2980765）。

好处有多大？Forge Nano表示，尽管第三方测试和验证正在进行中，但现在就对涂层增强电池的寿命做出明确声明还为时过早。但一位公司发言人告诉IEEE Spectrum，迄今为止收到的数据表明，与目前市场上的同类电池相比，比能量提高了15%。

该公司下了一个大赌注，即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——都会将其对原子层沉积的看法视为电池制造的必备步骤。Forge battery正在北卡罗来纳州建造一座25700平方米的千兆工厂，据称该工厂将在2026年投入运营时生产1吉瓦时的Atomic Armor增强型锂离子电池和成品电池。