原子层沉积技术在电化学储能电极材料中的应用

advs118-gra-0001-m原子层沉积(atomic layer deposition,ALD),又被称为原子层外延(atomic layer epitaxy),是一种基于化学气相反应的纳米薄膜沉积技术,可取得优异的沉积均匀性和一致性,并实现非常好的可控沉积厚度。原子层沉积最初是用于制备平板显示器中的多晶荧光材料,并在20世纪90年代之后凭借其极均匀的沉积层厚度和优异的沉积一致性,广泛应用于微电子技术和芯片工艺的加工制备过程中。另一方面,随着潜在的能源危机、全球气候变暖和环境恶化的加剧,人们对绿色清洁能源储存设备的需求不断增加。电极材料是决定电化学储能设备(如锂离子电池和超级电容器)性能的关键因素,合理地选择、设计和制备电极材料被认为是获得高性能电化学储能设备的关键步骤。

近年,将原子层沉积技术应用在电化学储能电极材料领域受到相当大的关注,新加坡国立大学材料科学与工程学院官操博士总结多年来这个领域的工作,在Wiley综合期刊Advance Science上发表综述性文章,系统阐述了该领域工作的最新研究进展,并指出未来可能的发展方向。文中首先介绍了原子层沉积技术的基本原理和电化学储能器件对电极材料的基本要求,提出了原子层沉积技术在电化学储能材料应用上的鲜明优点。结合原子层沉积技术在锂离子电池、超级电容器,以及钠离子电池、锂硫电池、锂空气电池等储能器件上的最新进展,文中主要介绍了近年来原子层沉积技术应用于电极材料的三个方面:(1)原子层沉积技术用于电极材料的表面修饰和改性,着重增强电极材料的高倍率性能和循环稳定性; (2)原子层沉积技术制备电极活性材料,着重实现可控沉积厚度以优化电极材料的功率和能量密度; (3)通过原子层沉积实现新颖的电极材料结构,如三维集流体结构和空心多孔结构的电极材料,实现高性能的储能设备。文末则对未来原子层沉积技术在储能电极材料的应用提出了总结讨论。尽管原子层沉积技术在电化学储能材料的应用研究取得了长足进展,但还有很多方面值得深入研究。比如深入研究新型材料以修饰电极表面;设计与沉积新型电极材料,用于电化学机理研究并实现优异储能性能;结合其它电极制备工艺,实现新型多功能的电极材料。相关论文在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201500405)。