原子層沉積技術(shù)在電池能源領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

瞿詩瑜

（陜西廣播電視大學(xué)，陜西 西安 710076）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步發(fā)展對(duì)于能源方面所表現(xiàn)出的需求愈發(fā)增長。與此同時(shí)，如何在能源方面實(shí)現(xiàn)更加理想的環(huán)境保護(hù)也成為當(dāng)前階段全世界的重要議題[1]。由于風(fēng)能、潮汐能、太陽能等新型能源具有儲(chǔ)量大、成本低等優(yōu)勢(shì)，得到了業(yè)界極高重視并廣泛應(yīng)用，然而其功能的發(fā)揮會(huì)受到一系列自然因素的影響，如天氣、時(shí)間、地理位置等[2]。由此可見，依托二次能源技術(shù)開展能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換是十分必要的，對(duì)于能源供應(yīng)的穩(wěn)定性有著積極的促進(jìn)作用。

近年來，鋰硫電池等二次能源技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行比較而言，此類裝置的便攜性和清潔性更高，同時(shí)由于其能量密度更高，在能量轉(zhuǎn)換效率上的表現(xiàn)效果更加理想，實(shí)際使用壽命和應(yīng)用安全性也更具優(yōu)勢(shì)[3]。在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換上會(huì)涉及到電極和電解質(zhì)材料這一重要組成部分，而ALD技術(shù)能夠?yàn)椴牧现苽浼案男蕴峁┯行еС郑挛膶?duì)ALD技術(shù)與鋰硫電池的結(jié)合應(yīng)用做出分析。

1 ALD技術(shù)的原理

ALD的技術(shù)原理主要是依托脈沖控制以交替的形式讓氣相前驅(qū)體進(jìn)入到反應(yīng)腔室，當(dāng)氣象前驅(qū)體與基體表面產(chǎn)生單層化學(xué)吸附后，反應(yīng)會(huì)在吸附飽和后以自動(dòng)形式結(jié)束，這便是自限制性特征，接著發(fā)揮惰性載氣的功能完成對(duì)腔室的清洗，進(jìn)而獲取到單分子薄膜，這便是ALD技術(shù)的一個(gè)循環(huán)周期反應(yīng)[4]。薄膜整體厚度的控制可以通過對(duì)ALD反應(yīng)周期數(shù)的改變來實(shí)現(xiàn)，周期數(shù)與控制的精準(zhǔn)程度存在密切關(guān)聯(lián)。

對(duì)于ALD循環(huán)而言，其存在相應(yīng)的循環(huán)反應(yīng)周期：首先，基底表面-OH與第1種前驅(qū)體三甲基鋁的化學(xué)吸附反應(yīng)，新的-OH基團(tuán)在此條件下產(chǎn)生[5]；其次，在惰性氣體的支持下將腔室中前驅(qū)體殘余以及副產(chǎn)物CH4予以清除；接著，新-OH基團(tuán)與第2種前驅(qū)體水的化學(xué)吸附反應(yīng)，生成新-OH；最后，重復(fù)腔室清除處理。

2 ALD技術(shù)在鋰硫電池電極材料方面的應(yīng)用

首先，對(duì)于鋰硫電池中的反應(yīng)來說，其中最為主要的便是單質(zhì)硫與金屬鋰發(fā)生的反應(yīng)。由于存在穿梭效應(yīng)，電池循環(huán)性能會(huì)受到不同程度的影響，因此，為了更好把控穿梭效應(yīng)，針對(duì)硫與電解液做出組合，以金屬氧化物阻隔層的形式達(dá)到提升循環(huán)性能的效果[6]。通過傳統(tǒng)濕法化學(xué)方式所做出的阻隔通常無法確保實(shí)際效果的均一性和致密性。在ALD技術(shù)的支持下便可以在材料表面構(gòu)筑起致密薄膜，既可以對(duì)材料在電解液中的溶解和流失做出有效把控，還可以通過對(duì)沉積薄膜厚度的控制實(shí)現(xiàn)薄膜的平衡性，最大限度上不對(duì)材料導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。

其次，正極材料與鋰硫電池性能存在密切聯(lián)系，有關(guān)鋰硫電池的正極材料問題是當(dāng)前階段的重點(diǎn)議題，本文也針對(duì)正極材料問題展開分析：

通常而言，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～60%的低硫負(fù)載量會(huì)對(duì)電池的總?cè)萘慨a(chǎn)生影響；然而一旦硫負(fù)載超出70%，那么電池循環(huán)穩(wěn)定性便無法得到充分保障，穩(wěn)定性便會(huì)隨著負(fù)載過高而出現(xiàn)降低的情況。因此，在相關(guān)工作中要針對(duì)高硫負(fù)載以及正極材料穩(wěn)定性予以重視，除了可以應(yīng)用當(dāng)前階段廣為熟知的石墨烯以外，對(duì)單質(zhì)硫載體材料類型做出拓展。例如，樹木為了維持自身的新陳代謝，需要通過自身所存在的孔道來實(shí)現(xiàn)對(duì)水、離子和小分子等營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸，此類孔隙對(duì)于硫的存儲(chǔ)能夠發(fā)揮重要功能。天然碳纖維受到高溫碳化處理的影響會(huì)表現(xiàn)出更加優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)電性能，多孔結(jié)構(gòu)的保留完整性也較為理想。然而受到此類天然孔道過于寬大的影響，對(duì)多硫化物的控制效果不理想。這種條件下可依托ALD技術(shù)讓5 nm厚的Al2O3沉積于天然碳纖維上，既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)碳纖維放入孔徑的有效控制，同時(shí)能夠?qū)Χ嗔蚧锏拇┧笞龀鱿拗坪桶芽?，?jīng)過試驗(yàn)得出，其儲(chǔ)硫能力高達(dá)70%左右，表現(xiàn)出較為理想的技術(shù)應(yīng)用效果。

最后，利用ALD技術(shù)對(duì)鋰硫電池正極材料做出表面改性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化物與電解液接觸的有效把控，以此避免在此影響下硫產(chǎn)生不必要的溶解流失情況，進(jìn)而確保硫的實(shí)際利用率能夠滿足預(yù)期要求。

3 總結(jié)和展望

通過上文就ALD技術(shù)在鋰硫電池中的應(yīng)用分析可以明顯看出，在新型能源材料的制備及合成改性上ALD擁有良好表現(xiàn)，能給為鋰硫電池正極材料優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要支持。與傳統(tǒng)的材料合成方法進(jìn)行比較而言，ALD技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)：首先，ALD技術(shù)可以針對(duì)不同類型材料實(shí)現(xiàn)表面改性，表現(xiàn)出更加理想的適應(yīng)性。目前，在ALD反應(yīng)前驅(qū)體的不斷研究、開發(fā)的應(yīng)用的支持下，ALD技術(shù)在合成上所適用的材料類型也愈發(fā)拓展；其次，實(shí)踐應(yīng)用ALD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物生成量更加準(zhǔn)確的把控，可以根據(jù)具體需求對(duì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)及合成，使合成材料的結(jié)構(gòu)及實(shí)際性能能夠充分滿足預(yù)期需求；再次，與其他薄膜制備技術(shù)進(jìn)行比較而言，依托ALD技術(shù)所完成的薄膜制備，擁有更加理想的細(xì)致、均一和精密性，同時(shí)在保形性上也表現(xiàn)出更好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

新一代能源材料的合成及制備對(duì)于自身結(jié)構(gòu)和性能提出了更高要求，而ALD技術(shù)恰恰能夠?yàn)榇隧?xiàng)工作提供良好的技術(shù)支持。雖然近年來學(xué)術(shù)界針對(duì)ALD技術(shù)與能源材料的技術(shù)結(jié)合應(yīng)用開展了廣泛研究，然而從實(shí)際情況上不難看出依舊存在較大提升空間。在金屬氧化物、金屬氮化物等類型材料的制備中ALD技術(shù)可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，然而ALD技術(shù)與金屬單質(zhì)、非金屬單質(zhì)等材料制備的結(jié)合應(yīng)用上會(huì)受到諸多要素的影響，進(jìn)而受到技術(shù)應(yīng)用限制。此外，在沉積速率上與PVD等方法進(jìn)行比較而言，ALD技術(shù)無法取得較為理想成效，這便導(dǎo)致此項(xiàng)技術(shù)方法在納米級(jí)以上的材料制備中應(yīng)用較少；ALD反應(yīng)過程中由于受到前驅(qū)體氣體和副產(chǎn)物殘留的影響，會(huì)導(dǎo)致成膜質(zhì)量無法得到有效保障。因此，要對(duì)此類ALD技術(shù)應(yīng)用中存在的問題予以關(guān)注，將其作為后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。能源的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的發(fā)展能夠?yàn)榫徑饽茉喘h(huán)境問題提供有益支持，可見ALD技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。