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美国能源部联合橡树岭国家实验室发布成果：Forge Nano ALD技术助力降低锂电制造能耗与成本
作者：复纳科技
行业：新能源
产品： Pandora, Prometheus, PROMETHEUS XL
关键词：原子层沉积，ALD，锂电材料包覆改性，电极ALD，Forge Nano，橡树岭国家实验室
日期：2025-11-04
随着锂离子电池在电动汽车与储能系统中的广泛应用，如何在保证性能的同时降低制造成本，成为全球能源技术领域的重要课题。美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）与 Forge Nano 公司联合完成的一项研究报告，系统探讨了通过高通量原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）技术降低锂电制造能耗与成本的可行性。这项研究由美国能源部（DOE）资助，相关实验在 ORNL 的电气化与能源基础设施部门完成。
Part 1 项目背景与研究目标
锂离子电池是当前最重要的电化学储能技术，但仍存在一些影响性能和安全性的挑战。其一是电极材料与电解液之间的副反应，会导致电池容量衰减和循环寿命缩短；其二是隔膜的热稳定性有限，可能引发热失控风险。
研究团队认为，在电极和隔膜表面引入氧化物涂层，可以显著改善电化学稳定性与润湿性，从而提升整体电池性能。本项目的目标，是比较涂覆氧化物层的电极和隔膜与未涂覆样品之间的性能差异，验证 ALD 工艺在提升性能同时降低制造能耗与成本的潜力。
Part 2 实验设计与方法
该研究由 Forge Nano 与 ORNL 合作完成。Forge Nano 在其设备上使用原子层沉积技术，在电极材料和隔膜表面制备不同厚度的氧化物涂层，并将样品送往 ORNL 进行电池组装与测试。
在 ORNL 的电池制造设施（Battery Manufacturing Facility，BMF）中，研究团队使用槽模涂布设备（slot-die coating）制备了正极和负极。正极采用经ALD涂层处理或未处理的NMC811材料（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2），负极采用石墨材料。浆料由活性物质、导电碳和聚偏氟乙烯（PVDF）与 NMP 溶剂混合制得。样品干燥后，通过真空烘箱在 100℃ 下处理，并组装为软包电芯。
不同电芯组合包括未涂层正负极（UCUA）、仅正极涂层（CCUA）、仅负极涂层（UCCA）和双涂层样品（CCCA）。测试使用 0.333C/-0.333C 倍率、4.2V 上限电压，电压保持 10 分钟或电流≤1/20C的条件进行循环。
在BMF使用狭缝涂布机制备的负极涂层照片
48组电极-隔膜堆叠（每组1Ah）即将装入软包电池的代表性照片
Part 3 实验结果
结果表明，未涂层的正负极组合（UCUA）在初期具有略高的放电容量，但循环过程中容量衰减明显；相比之下，采用 ALD 氧化涂层的样品（CCCA、CCUA、UCCA）显示出更高的循环稳定性。这说明氧化层能够有效抑制电极与电解液之间的副反应，从而提升电池寿命。
采用不同阳极与阴极组合的全电池长期循环稳定性测试。转载自参考文献【1】
此外，研究还对隔膜的润湿性能进行了测试。实验采用 1.2 M LiPF₆（溶剂为碳酸乙烯酯 EC 与碳酸乙基甲酯 EMC，质量比 3:7）的电解液，通过接触角测量评估润湿效果。结果显示，经 ALD 涂层处理的隔膜与电解液的接触角明显减小，润湿性能显著改善。氧化涂层数量增加（如 1 层与 10 层）时，润湿性进一步提高。
接触角测量结果，展示未涂覆隔膜与分别涂覆1层氧化物（1 C）和10层氧化物（10 C）的隔膜的润湿性能对比。
这些实验结果验证了 ALD 氧化物涂层在电极与隔膜层面的综合改进作用——不仅改善电化学性能，还能通过更均匀的界面结构提升整体稳定性。
Part 4
商业化前景
报告指出，Forge Nano 已开始推进 ALD 涂层工艺的规模化应用，目标是实现电极与隔膜涂层的大批量商业化生产。与此同时，该公司旗下的 Forge Battery 正在研发并推广基于 ALD 增强技术的电芯产品。
双方团队计划在未来继续合作，探索不同类型氧化物涂层对材料性能的影响，并在更大规格的电池系统中进行验证测试。这一方向与美国能源部先进材料与制造技术办公室（AMMTO）的目标高度契合，即推动新一代材料与制造技术的研发，以提升美国的工业竞争力和能源独立性。
Part 5 研究结论
该研究在合作研发协议（CRADA）框架下完成，实验结果表明，采用 ALD 氧化物涂层的电极与隔膜样品在循环性能和界面稳定性方面均优于传统未涂层样品。这一结果为降低锂电制造成本、提升电池能量密度和稳定性提供了重要技术支撑。研究团队建议在后续工作中进一步验证这些材料在更大规模电池组中的表现。
参考文献
【1】Yue Feng, Runming Tao, Kelsey Livingston, Jaswinder Sharma, David A. Cullen, Yu Lu, Wheatley Steenman, Markus Groner, Arrelaine Dameron, Georgios Polizos, Jianlin Li
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