Forge Nano-coatings kunnen de levensduur van EV-batterijen verlengen

De afgelopen 25 jaar is de langste actieradius van een elektrisch voertuig op één acculading gestegen van zo’n 260 kilometer naar iets meer dan 800 kilometer. Deze geavanceerde batterijpakketten zijn ook steeds vaker begonnen met het opslaan van energie uit het elektriciteitsnet of hernieuwbare bronnen om huizen of bedrijven van stroom te voorzien. Het is dan ook geen wonder dat de mondiale markt voor autobatterijen de 50 miljard dollar per jaar heeft overschreden en dat er steeds meer druk ontstaat om meer en betere batterijen te produceren.

Nu passen verschillende bedrijven een beproefde chemische techniek toe, atomic layer deposition (ALD) genaamd, om batterij-elektroden te coaten met metaaloxiden of nitriden, waarvan zij beweren dat ze zowel de energiecapaciteit als de levensduur van lithium-ionbatterijen verbeteren. Tot de bedrijven behoren het in Thornton, Colorado gevestigde Forge Nano, Picosun (een volledige dochteronderneming van het in Santa Clara, Californië gevestigde Applied Materials) en Beneq, in Espoo, Finland; ze gebruiken een techniek die oorspronkelijk in de jaren zestig werd ontwikkeld. Na jarenlang hun processen te hebben geperfectioneerd, hopen deze bedrijven nu voet aan de grond te krijgen op de markten voor elektrische voertuigen en smartphones die worden gedomineerd door giganten als CATL, Panasonic en Samsung.

Van de drie lijkt de Forge Nano over de meest geavanceerde technologie te beschikken. Onlangs heeft het bedrijf aangekondigd dat zijn dochteronderneming, Forge Battery, is begonnen met het verzenden van prototypes van batterijcellen, gemaakt van ALD-gecoate materialen, naar klanten om te testen. Het bedrijf zegt dat zijn eigen ALD-formule, die het Atomic Armor noemt, batterij-elektroden beter in het opslaan van energie maakt en ervoor zorgt dat ze langer meegaan.

Wat zit er in een lithium-ionbatterij?

De batterijen die in de huidige elektrische voertuigen en smartphones worden aangetroffen, bestaan ​​uit drie hoofdcomponenten. De anode of negatieve elektrode, meestal gemaakt van grafiet, is waar de lithiumionen worden opgeslagen tijdens het laadproces. De kathode (positieve elektrode) is gemaakt van een lithiummetaaloxide zoals lithiumkobaltoxide of lithiumijzerfosfaat. Dan is er de elektrolyt, een lithiumzout opgelost in een organisch oplosmiddel waardoor de lithiumionen tussen de anode en kathode kunnen bewegen. Ook belangrijk is de separator, een semi-poreus materiaal dat de beweging van ionen tussen de kathode en anode mogelijk maakt tijdens het opladen en ontladen, maar de stroom van elektronen direct daartussen blokkeert, waardoor de batterij snel zou worden kortgesloten.

Forge Nano brengt een kathodecoating aan op R&D-batterijcellen.Smed Nano

Het coaten van de materialen waaruit de anode, kathode en separator op moleculair niveau bestaan, verhoogt volgens de bedrijven de prestaties en duurzaamheid van de batterijen zonder hun gewicht of volume aanzienlijk te vergroten.

. Films ontstaan ​​door een chemische reactie tussen twee gasvormige precursorstoffen, die afwisselend in het substraat worden ingebracht. De eerste reageert met het substraatoppervlak op actieve plaatsen, punten op de precursormoleculen en op het substraatoppervlak waar de twee materialen chemisch gebonden zijn. Nadat al het niet-gereageerde precursorgas is weggepompt, wordt vervolgens de volgende precursor geïntroduceerd en deze bindt zich met de eerste precursor op hun respectieve actieve plaatsen. ALD-technologie is zelfbeëindigend, wat betekent dat wanneer alle actieve sites zijn gevuld, de reactie stopt. De film wordt atomaire laag per keer gevormd, zodat de dikte nauwkeurig kan worden aangepast tot enkele tientallen nanometers door eenvoudigweg de blootstelling van het substraat aan de precursors af te snijden wanneer de gewenste laagdikte is bereikt.

In een conventionele lithium-ionbatterij met een grafietanode wordt silicium (en soms andere materialen) aan het grafiet toegevoegd om het vermogen van de anode om ionen op te slaan te verbeteren. In de praktijk wordt de energiedichtheid groter, maar silicium is veel gevoeliger voor nevenreacties met de elektrolyt en voor uitzetting en samentrekking tijdens het opladen en ontladen, waardoor de elektrode verzwakt. Uiteindelijk vermindert mechanische degradatie de batterijcapaciteit. Door de anodemoleculen met een beschermende laag te bedekken, maakt ALD-technologie een groter aandeel silicium in de anode mogelijk en remt tegelijkertijd de uitzettings-samentrekkingscycli en vertraagt ​​daardoor de mechanische degradatie. Het resultaat is een lichtere, energiedichtere batterij die duurzamer is dan conventionele lithium-ionbatterijen.

Picosun zegt dat zijn ALD-technologie is gebruikt om gecoate nikkeloxideanodes te maken met meer dan tweemaal de energieopslagcapaciteit en driemaal de energiedichtheid van degenen die afhankelijk zijn van traditioneel grafiet.

Wat is het voordeel? Forge Nano zegt dat het testen en valideren door derden nog gaande is, maar dat het nog te vroeg is om definitieve uitspraken te doen over de levensduur van de batterijen met verbeterde coating. Maar een woordvoerder van het bedrijf zei IEEE-spectrum uit de gegevens die het tot nu toe heeft verkregen, blijkt dat de specifieke energie met 15 procent is verbeterd in vergelijking met vergelijkbare batterijen die momenteel op de markt zijn.

Het bedrijf had een goede gok gemaakt dat spelers in de hele batterijproductieketen – van anode- en kathodefabrikanten tot Tier 1-batterijleveranciers en zelfs fabrikanten van elektrische voertuigen – ALD zullen zien als een onmisbare stap in de batterijproductie. . Forge Battery bouwt een gigafabriek van 25.000 vierkante meter in North Carolina, die naar eigen zeggen 1 gigawattuur van zijn door Atomic Armor verbeterde lithium-ioncellen en afgewerkte batterijen zal produceren wanneer deze in 2026 live gaat.