鋰離子電池的廣泛應(yīng)用推動了新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，而 PALD 包覆技術(shù)可以改進電極材料的使用壽命及電化學性能，有效提升電池整體性能。Forge Nano 公司長期以來一直致力于將該技術(shù)應(yīng)用在各種鋰電電池材料的改性生產(chǎn)工藝中。
 

為電池穿上鎧甲的 PALD 包覆技術(shù)

在征服了地面交通后，鋰離子電池的步伐也邁向了太空。在 2021 年 6 月 20 日，美國 SpaceX Transporter-2 的發(fā)射任務(wù)圓滿完成，而在此次發(fā)射的 Spire Global公司的 LEMUR-2 衛(wèi)星中，便搭載了全新的鋰離子電池作為儲能模塊。
 

值得注意的是，PALD（粉末原子層沉積）技術(shù)改性的鋰離子電池第一次被真正應(yīng)用在太空環(huán)境。送往太空的電池組原材料由總部位于華盛頓州斯波坎的 Pyrotek 公司提供的負極材料和 Forge Nano 提供的正極材料組成。這兩種電極材料都結(jié)合了 Forge Nano 原子層沉積（PALD）包覆技術(shù)與 EnerSys ZeroVolt 技術(shù)，以提高電池的循環(huán)壽命穩(wěn)定性、能量密度和低溫性能（詳情見🔍：如何使用原子層沉積實現(xiàn)高質(zhì)量粉末包覆）。電池會在特定放電深度（Depth of Discharge，DOD）水平上進行電循環(huán)以確定它們在太空環(huán)境中的電氣性能。

由于太空環(huán)境的特殊性，衛(wèi)星以及空間站的正常用電無法從地面獲得，因此太陽能成為發(fā)電的主要途徑。但在背離太陽的軌道運行時，無法實時供電，這時就需要通過大功率蓄電池了，而鋰離子電池成為了首選（另一種選擇是使用核電池，但成本較高）。
 

太陽能電池模塊可以高效轉(zhuǎn)化太陽能從而實現(xiàn)供電

航天，又稱空間飛行、太空飛行、宇宙航行或航天飛行，是指進入、探索開發(fā)和利用太空（即地球大氣層以外的宇宙空間，又稱外層空間）以及地球以外天體各種活動的宗稱。
 

太陽能電池 + 鋰離子電池，太空干活 so easy
 

在太空中使用的鋰離子電池應(yīng)該具備什么條件？

長壽命，大容量，高安全。這是太空環(huán)境對鋰離子電池提出的基本要求。而電池的正負極材料是決定性質(zhì)的關(guān)鍵，因此通過包覆改性的手段可有效改善電極粉末材料的性能。

使用壽命

首先關(guān)于壽命，鋰離子電池的壽命已經(jīng)遠超傳統(tǒng)的鉛酸以及鎳氫電池，但在太空環(huán)境，電池經(jīng)常會面臨極端的運行條件，對于壽命的影響可能比地面更大。更長的使用壽命，意味著進行更換的頻率更低。要知道，在太空換電池可不是輕松的事情，宇航員可能要艙外作業(yè)，同時電池模塊也需要用飛船往返運輸。如果電池經(jīng)常報廢，其經(jīng)濟成本也將異常巨大。
 

換電池有時候需要進行“太空行走”

2019 年 3 月，美國的宇航員整整花了 6 個小時的時間，才在機械臂的配合下完成了 3 塊舊電池的更換工作，而電源的適配器重大 300 磅，需要靠宇航員獨立完成其連接工作，而前方還有更多的電池模組需要更換。
 

在太空換電池是體力活
 

因此，電池的使用壽命異常關(guān)鍵，而通過 PALD 表面包覆技術(shù)，可以有效提升電池材料的循環(huán)使用壽命，同時保證其容量長時間保持在較高的水平（詳情見🔍：粉末ALD包覆技術(shù)為電池穿上鎧甲）。
 

經(jīng)過 PALD 包覆的電池擁有更長的使用壽命
 

比容量

電池較大的比容量不僅意味著更穩(wěn)定的電量供應(yīng)，同時也為衛(wèi)星等航天器減少了更多的載荷。畢竟對于航天發(fā)射，每公斤的成本甚至可以高達 1 萬美金。以我國的嫦娥五號為例，由于是長距離航行，因此選用了比能量更高的鈷酸鋰正極材料和石墨負極材料作為電池模塊，將蓄電池的重量比能量提高至 195Wh/kg，這遠高于市場平均水平 155Wh/kg。更高的比容量為本就捉襟見肘的能源分配提供了更多的靈活性。
 

“鋰電兔”在手
嫦娥姐姐再也不用擔心奔月時吃不飽
 

通過 Forge Nano 的 PALD 包覆技術(shù)，大部分的鋰電池體系的能量密度都有顯著的提升。將包覆技術(shù)與其它工藝技術(shù)結(jié)合，可以開發(fā)能量密度更高的鋰離子電池體系。
 

Forge Nano 對不同正極體系材料的包覆
以及其能量密度提升

 

安全風險

安全性是影響鋰離子電池使用的關(guān)鍵因素，由于內(nèi)部不良反應(yīng)，鋰離子電池有發(fā)生熱失控甚至爆炸的風險。NASA 從很早之前就開始開發(fā)鋰電池的封裝技術(shù)，以便熱失控事件不會成為國際空間站的全部悲劇。除了開發(fā)新的封裝方法外，使用 PALD 包覆技術(shù)可以從材料的層面提升電池的安全性能，這是因為包覆的納米涂層可以有效隔絕水氧，阻止電解液與電極材料反應(yīng)，因此降低了電池過熱的風險。
 

航天中電池的安全隱患會造成不可估量的損失
 

鋰離子電池在不久的將來，會更廣泛的應(yīng)用在航天事業(yè)中，太空中的航天員們，都需要更為安全高效的儲能手段，如果人類是向往奔月的嫦娥，那鋰電池就是陪伴嫦娥的小兔兔，終將攜手開創(chuàng)新的“航天時代”。

關(guān)于 LUMUR-2 發(fā)射項目

Spire Global 公司的聯(lián)邦副總裁兼總經(jīng)理 Keith E. Johnson 表示：“通過將各方的技術(shù)集成到 Spire 的 LEMUR-2 衛(wèi)星中，我們能夠在航天應(yīng)用中收集相關(guān)性能數(shù)據(jù)，并在航天行業(yè)中更廣泛地推進該技術(shù)的使用。”

Forge Nano 的首席執(zhí)行官 Paul Lichty 表示：“這是我們知道的第一塊使用 ALD 包覆技術(shù)的太空電池，我們很高興能夠推動包括太空在內(nèi)的各種應(yīng)用的性能提升。與 EnerSys、Pyrotek 和 Spire Global 公司的伙伴關(guān)系只是我們正在開展的許多商業(yè)電池項目的冰山一角，我們期待很快分享更多的項目內(nèi)容。”
 

LUMUR-2 將作為重要的對地觀察以及交通監(jiān)測衛(wèi)星

 

關(guān)于 Forge Nano

Forge Nano 是全球領(lǐng)先的納米涂層技術(shù)企業(yè)，更是全球唯一可提供工業(yè)級 ALD 包覆的供應(yīng)商。多年以來，我們已經(jīng)與全球多家鋰電研發(fā)機構(gòu)以及企業(yè)合作開發(fā)新一代電池材料，并獲得授權(quán)進行工業(yè)生產(chǎn)。Forge Nano 可提供從毫克級到千噸級的 ALD 粉末包覆的代工以及設(shè)備服務(wù)（詳情請見🔍：粉末ALD設(shè)備選型推薦）。

從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)級的粉末包覆技術(shù)

 

參考資料：

[1] US-Made Batteries Enhanced with Atomic Layer Deposition Enter Space, https://www.autoevolution.com/news/potentially-game-changing-us-made-batteries-are-successfully-launched-into-space-167539.html#agal_0
[2] Lemur-2 - Gunter's Space Page. https://space.skyrocket.de/doc_sdat/lemur-2.htm
[3] NASA做好準備應(yīng)對老化的鋰離子電池在太空爆炸，https://www.sohu.com/a/248709501_704734
[4] 鋰離子電池代替3個舊鎳氫電池 NASA宇航員太空行走更換電池http://m.cbea.com/ldc/201903/033494.html
[5] NASA Seeks to Create a Better Battery with SABERS，https://www.nasa.gov/feature/nasa-seeks-to-create-a-better-battery-with-sabers
[6] 重磅！鈷酸鋰電池搭著嫦娥五號奔月了！https://www.sohu.com/a/434319568_275361
[7] Delivering the world’s best Lithium-Ion battery, https://www.forgenano.com/batteries/