ALD 包覆鋰電池在太空環(huán)境下的應(yīng)用

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(jìn)電極材料的使用壽命及電化學(xué)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(fù)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(shí)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(jìn)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(yùn)行時，無法實(shí)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(shí)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(jìn)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(fù)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(yuǎn)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(yùn)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(jìn)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(yùn)輸。如果電池經(jīng)常報廢，其經(jīng)濟(jì)成本也將異常巨大。
 

換電池有時候需要進(jìn)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(jī)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(dú)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?fù)碛懈�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(dá) 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(fù)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(yuǎn)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(dān)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(fēng)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(fēng)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?yàn)榘�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(fēng)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(xiàng)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(jìn)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(xiàng)目的冰山一角，我們期待很快分享更多的項(xiàng)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(jī)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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/