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ALD 包覆锂电池进入太空

 发布时间:2021-10-08 点击量:828

锂离子电池的广泛应用推动了新能源汽车行业的快速发展,而 PALD 包覆技术可以改进电极材料的使用寿命及电化学性能,有效提升电池整体性能。Forge Nano 公司长期以来一直致力于将该技术应用在各种锂电电池材料的改性生产工艺中。

 

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为电池穿上铠甲的 PALD 包覆技术

 

在征服了地面交通后,锂离子电池的步伐也迈向了太空。在 2021 年 6 月 20 日,美国 SpaceX Transporter-2 的发射任务圆满完成,而在此次发射的 Spire Global公司的 LEMUR-2 卫星中,便搭载了新的锂离子电池作为储能模块。

 

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值得注意的是,PALD(粉末原子层沉积)技术改性的锂离子电池第一次被真正应用在太空环境。送往太空的电池组原材料由总部位于华盛顿州斯波坎的 Pyrotek 公司提供的负极材料和 Forge Nano 提供的正极材料组成。这两种电极材料都结合了 Forge Nano 原子层沉积(PALD)包覆技术与 EnerSys ZeroVolt 技术,以提高电池的循环寿命稳定性、能量密度和低温性能(详情见🔍:如何使用原子层沉积实现高质量粉末包覆)。电池会在特定放电深度(Depth of Discharge,DOD)水平上进行电循环以确定它们在太空环境中的电气性能。

 

由于太空环境的特殊性,卫星以及空间站的正常用电无法从地面获得,因此太阳能成为发电的主要途径。但在背离太阳的轨道运行时,无法实时供电,这时就需要通过大功率蓄电池了,而锂离子电池成为了shou选(另一种选择是使用核电池,但成本较高)。

 

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太阳能电池模块可以高效转化太阳能从而实现供电

 

航天,又称空间飞行、太空飞行、宇宙航行或航天飞行,是指进入、探索开发和利用太空(即地球大气层以外的宇宙空间,又称外层空间)以及地球以外天体各种活动的宗称。

 

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太阳能电池 + 锂离子电池,太空干活 so easy

 

在太空中使用的锂离子电池应该具备什么条件?

 

长寿命,大容量,高安全

 

这是太空环境对锂离子电池提出的基本要求。而电池的正负极材料是决定性质的关键,因此通过包覆改性的手段可有效改善电极粉末材料的性能。

 

使用寿命

 

首先关于寿命,锂离子电池的寿命已经远超传统的铅酸以及镍氢电池,但在太空环境,电池经常会面临ji端的运行条件,对于寿命的影响可能比地面更大。更长的使用寿命,意味着进行更换的频率更低。要知道,在太空换电池可不是轻松的事情,宇航员可能要舱外作业,同时电池模块也需要用飞船往返运输。如果电池经常报废,其经济成本也将异常巨大。

 

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换电池有时候需要进行“太空行走”

 

2019 年 3 月,美国的宇航员整整花了 6 个小时的时间,才在机械臂的配合下完成了 3 块旧电池的更换工作,而电源的适配器重大 300 磅,需要靠宇航员独立完成其连接工作,而前方还有更多的电池模组需要更换。

 

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在太空换电池是体力活

 

因此,电池的使用寿命异常关键,而通过 PALD 表面包覆技术,可以有效提升电池材料的循环使用寿命,同时保证其容量长时间保持在较高的水平(详情见🔍:粉末ALD包覆技术为电池穿上铠甲)。

 

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经过 PALD 包覆的电池拥有更长的使用寿命

 

比容量

 

电池较大的比容量不仅意味着更稳定的电量供应,同时也为卫星等航天器减少了更多的载荷。毕竟对于航天发射,每公斤的成本甚至可以高达 1 万美金。以我国的嫦娥五号为例,由于是长距离航行,因此选用了比能量更高的钴酸锂正极材料和石墨负极材料作为电池模块,将蓄电池的重量比能量提高至 195Wh/kg,这远高于市场平均水平 155Wh/kg。更高的比容量为本就捉襟见肘的能源分配提供了更多的灵活性。

 

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“锂电兔”在手
嫦娥姐姐再也不用担心奔月时吃不饱

 

通过 Forge Nano 的 PALD 包覆技术,大部分的锂电池体系的能量密度都有显著的提升。将包覆技术与其它工艺技术结合,可以开发能量密度更高的锂离子电池体系。

 

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Forge Nano 对不同正极体系材料的包覆
以及其能量密度提升

 

安全风险

 

安全性是影响锂离子电池使用的关键因素,由于内部不良反应,锂离子电池有发生热失控甚至爆炸的风险。NASA 从很早之前就开始开发锂电池的封装技术,以便热失控事件不会成为国际空间站的全部悲剧。除了开发新的封装方法外,使用 PALD 包覆技术可以从材料的层面提升电池的安全性能,这是因为包覆的纳米涂层可以有效隔绝水氧,阻止电解液与电极材料反应,因此降低了电池过热的风险。

 

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航天中电池的安全隐患会造成不可估量的损失

 

锂离子电池在不久的将来,会更广泛的应用在航天事业中,太空中的航天员们,都需要更为安全高效的储能手段,如果人类是向往奔月的嫦娥,那锂电池就是陪伴嫦娥的小兔兔,终将携手开创新的“航天时代”。

 

关于 LUMUR-2 发射项目

 

Spire Global 公司的联邦副总裁兼总经理 Keith E. Johnson 表示:“通过将各方的技术集成到 Spire 的 LEMUR-2 卫星中,我们能够在航天应用中收集相关性能数据,并在航天行业中更广泛地推进该技术的使用。”

 

Forge Nano 的执行官 Paul Lichty 表示:“这是我们知道的第一块使用 ALD 包覆技术的太空电池,我们很高兴能够推动包括太空在内的各种应用的性能提升。与 EnerSys、Pyrotek 和 Spire Global 公司的伙伴关系只是我们正在开展的许多商业电池项目的冰山一角,我们期待很快分享更多的项目内容。”

 

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LUMUR-2 将作为重要的对地观察以及交通监测卫星

 

关于 Forge Nano

 

Forge Nano 是纳米涂层技术企业,更是可提供工业级 ALD 包覆的供应商。多年以来,我们已经与多家锂电研发机构以及企业合作开发新一代电池材料,并获得授权进行工业生产。Forge Nano 可提供从毫克级到千吨级的 ALD 粉末包覆的代工以及设备服务(详情请见🔍:粉末ALD设备选型推荐)。

 

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从实验室到工业生产级的粉末包覆技术

传真:

邮箱:info@phenom-china.com

地址:上海市闵行区虹桥镇申滨路 88 号上海虹桥丽宝广场 T5,705 室

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