Osadzania warstw atomowych (ALD), odchodzi od bycia narzędziem badawczym w rozwoju akumulatorów, staje się obecnie narzędziem do narzędziem produkcji przemysłowej dla wielu wybranych produktów. Beneq ALD ma przyjemność być pionierem tego rozwoju.

schemat 3D baterii

Schemat 3D struktry baterii

Wykorzystanie ALD dla produkcji akumulatorów

ALD niedawno zostało zastosowane z powodzeniem dla kilku materiałów potrzebnych w litowo-jonowy (Li-ion) bateriach. Bariery dyfuzyjne azotku tytanu (TIN), oraz katody aktualnych materiałów kolektorów z platyny (Pt) zostały opracowane z wykorzystaniem ALD dla nieaktywnych warstw w zintegrowanych akumulatorach 3D. ALD zapewnia znaczny wzrost wydajności zwłaszcza w zastosowaniach, gdzie pełni rolę powłok ochronnych potrzebnych w skomplikowanych strukturach. ALD jest przydatną i sprawdzona metodą powlekania dla kilku struktur baterii i warstw materiału, w tym:

  • mikro- mocowania, nanocząstek na podłożu
  • zastosowaniu barier dyfuzji i ochrony metalu przed korozją powierzchni metalu
  • kontrola właściwości dyfuzyjnych na powierzchni cząstek
  • pasywacji powierzchni
  • dostosowywaniu składu materiałów porowatych

Ze względu na mechanizm wzrostu warstw, powłoki ALD są naturalnie pinhole-free. Funkcja ta jest szczególnie ważna w zastosowaniach barier i pasywacji. Znaczną poprawę właściwości barierowych uzyskuje się już w warstwie grubość 10 nm, wykres poniżej.

wykres1

Przepuszczalność pary wodnej w porównaniu z grubością warstwy AI2O3 ALD powstałej w temperaturze 120 ° C na naftalanie polietylenu.

ALD dla proszków i cząstek

Połączenie powłoki ochronnej z podłożem ziarnistym stwarza zupełnie nowe możliwości, do modyfikowania właściwości dyfuzyjnych materiałów akumulatorowych i, co najważniejsze, przedłużania żywotności i trwałości akumulatorów. Wykres poniżej przedstawia korzystny efekt powłoki ALD na cząstkach katodowych na wydajność litowo-jonowych baterii

.wykres2

Wydajność ładowania-rozładowania baterii litowo-jonowej niepowlekanej cząstki katody (czarny) i katody LiCoO2, oraz anoda grafitowa pokryta dwoma cyklami ALD (czerwony) tlenkiem glinu. Dwa cykle ALD odpowiadają grubości warstwy 0,25nm.

Podstawy technologii ALD

Osadzania warstw atomowych (ALD) jest metodą chemiczną depozycji warstw z fazy gazowej. Opiera się ona na sekwencyjnym nasycaniu powierzchni reakcji. Dwa lub więcej prekursorów (substancji chemicznych), z których każdy zawiera różne elementy materiału osadzanego, wprowadza się na powierzchnię substratu, kolejno, jeden po drugim. Każdy prekursorów nasyca zupełnie powierzchnię, tworząc w ten sposób pojedynczą warstwę materiału. ALD zostało pierwotnie opracowane do wytwarzania cienkich warstw elektroluminescencyjnych (TFEL) płaskich ekranów, ale dziś jest ona wykorzystywana do różnych zastosowań przemysłowych, takich jak wytwarzanie urządzeń półprzewodnikowych.

Zalety ALD wynikają z kontroli powierzchni i samo nasycającemu mechanizmowi wzrostu warstwy. Dzięki temu technika może być wykorzystywana w wielu ekologicznych koncepcjach energetycznych  innych niż baterie litowo-jonowe, w tym ogniwach słonecznych, ogniwach paliwowych PEMFC oraz ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC).

ALD jest technologią powlekania dla nowych i ulepszonych produktów. Zapewnia powłoki, jak i ich istotne cechy, których albo nie można uzyskać opłacalnie istniejącymi technikami. W skrócie, ALD oferuje:

  • precyzyjną kontrolę grubości, przy prawdziwej nanometrycznej skali
  • warstwy pinhole-free dla, np. warstw barierowych i pasywacji powierzchni
  • powłoki ochronne dla podłoży o dużej powierzchni i skomplikowanych obiektów 3D, łącznie z porowatymi materiałami sypkimi i proszkami
  • zaprojektowanie, oraz badanie/ produkcję nowych materiałów i funkcjonalnych struktur
  • procesy wysoce powtarzalne i gotowe do realizacji przemysłowej

Dla proszków i cząstek, ALD ma już sprawdzone procesy depozycji, w tym heterogeniczną katalizę, oraz nanonapełniacze kompozytów polimerowych.

Urządzenia do ALD

Beneq jest dostawcą urządzeń do powlekania dla badań i rozwoju, jak również produkcji. Oferuje szeroką paletę urządzeń ALD. Niektóre z systemów są specyficzne dla aplikacji i skupiają się na pewnych procesach i właściwościach. Te systemy specyficzne dla aplikacji są wynikiem prac wraz z klientami dążąc do niezawodności oferowanych urządzeń, jak również poprawy ich możliwości.

Poniżej znajduje się lista oferowanego sprzętu ALD:

Przydatne publikacje:

  1. Knoops, H.C.M. et al., ECS Trans., 25 (2009) pp. 333-344.
  2. Putkonen, M. et al., J. Mater. Chem., 19 (2009) pp. 8767-8771.
  3. Dickey, E. et al., U.S. Patent No. 2008193739(A1), 12 Dec. 2007.
  4. Malinen, V. et al., Proc. ALD 2009 Conference, Jul. 19-22 2009, USA.
  5. Jung, Y.S. et al., J. Electrochem. Soc., 157 (2010) 1, pp. A75-A81.
  6. Riley, L.A., Chem. Phys. Chem., (2010) DOI10.1002/c.201000158.
  7. Rajala, M. et al., U.S. Patent No. 2007218290(A1), 24 Jun. 2004.
  8. Groner, M.D., et al., Appl. Phys. Lett., 88 (2006).
  9. Jung, Y.S. et al. Adv. Mats. 22 (2010).
  10. Suntola, T. et al., U.S. Patent No. 4,058,430, 29 Nov. 1974.11.
  11. Ritala, M. et al. In: Nalwa, H.S. (ed.) Handbook of Thin Film Materials. San Diego, USA: Academic Press, 2002. Vol. 1, pp. 103-159.
  12. Pakkala A. et al., Atomic Layer Deposition. In: Martin, W.M. (ed.) Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings. Elsevier, 2009, 3rd edition.
  13. Kytökivi, A. et al., Langmuir, 17 (1997) 2717.
  14. Nevalainen, K. et al., Proc. 55th AVS Int. Symp., Oct. 21, 2008.

 

Zapraszamy do kontaktu.

Zespół Technolutions