一文了解粉末专用的原子层沉积方案（粉末包覆、材料改性））

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粉末材料因为较高的比表面积和表面缺陷的限制，存在易团聚，寿命短等缺陷，制约了其应用的发展。为了克服这些缺陷，采用粉体表面改性的方式可极大程度的提升。传统的液相包覆或气相包覆手段都无法实现均匀以及厚度的精密控制，限制了包覆技术的进一步发展。原子层沉积技术（ALD）是一种自限制性的化学气相沉积手段，通过将目标反应拆解为若干个半反应，实现表面涂层的原子层级厚度控制（0.1-100nm）。Forge Nano 独家的粉末包覆方法一文了解粉末专用的原子层沉积方案 02锂电电极材料包覆 原创 ForgeNano 复 纳科技 2022-09-0618：18 发表于上海 FORGE N ANO 粉末材料因为较高的比表面积和表面缺陷的 限 制，存在易团聚，寿命短等缺陷，制 约了其应用的发展。为了克服这些缺陷，采用粉体表面改性的方式可极大程度的提 升。传统的液相包要或气相包覆手段都无法实现均匀以及厚度的精密控制，限制了 包覆技术的进一步发展，原子层沉积技术(ALD)是一种自限制性的化学气相沉积 手段，通过将目标反应拆解为若干个半反应，实现表面涂层的原子层级厚度控制 (0.1-100nm)。 ALD 反应有至少两个半反应组成： 1.引I入A前驱体，A 与 基底形成饱和的半反应 2.吹扫去除残留的A 3，引入B前驱体，使B与基底上的半反应物质进 一 步反应 生成目标物质，并达到饱和井 4.吹扫去除残留的B 5. 重复步骤1-4， 实现层级生长 ALD 的 基 本 原 理 ：自限 制 性 的周期 涂 层生 长 利 用 该技 术 制 备 的涂 层 具 有 ：共形 ，无针孔，均匀的特 点 ，而利 用 原 子层 沉 积 方 法 在 粉 末 表面构筑涂层的方式 被 称为 ――粉末/颗 粒 原 子层沉 积 (P A L D )。使 用 该法 可 以 制 备 金 属 单 质 ，金属氧 化 物 ，氮 化物 ，硫 化物 ，磷酸 盐 ，多元 化 合 物以及有 机 聚 合 物 等 涂 层 。 传统原子层沉积系统的局限 长期 以来， A L D 技 术 只 用 于 平面 样 品，如硅 片 等二维 基 材 。这 是因 为粉 末 材 料超 高 的 比 表 面 积以及易 于 团 聚 的 特 性限制了 A L D 反应的效率，自 上 世纪90年 代以来，学 术 界 展开 了 多种方 案 的研究 ， F o r g e N a n o 依 托 全球最 早 展开 规模 化 P A L D 技 术开 发的美 国 科 罗 拉多大学，发展出从公 斤 级 到 千 吨 级 的粉末样 品 包 差方 案 。(相关内容 ：如何通 过原子层沉积技术实现高质 量 粉末 包 覆 (PA L D)) 用途 RED RED 生产 生产 生产 腔室体积 1-100mL 1-8.000 mL 50-3，000L 20，000 kg/day 100-1000L 吞吐量 0.1g-100g 0.1g-10kg 0.5-5tons/batch 5-20 tons/dav 1-20 tons/day 特点 低成本研发 高质量工艺研发 低风险批次生产 常压高通是连续生产 高效/高通是半连续生产 Forge Nan o 为 粉 末 样 品 开发的 原 子层 沉积 系 统 ●为什么要用 PALD(粉末ALD)设备而不是传统 ALD 设备处理粉末样品 难 点1.卜高比表面积带来的沉积效率问题 与 同 质 量 或 体积的 平 面 样 品 相 比，粉末 材 料 的 比表面积会 高 出 几 个 数 量 级。而想 要 实 现 粉末表 面的 全 覆盖 ，ALD反应的时 间 会更 长 ，单 周期反应时间会从分钟到小时不等。更 长 的 反 应时 间 决定 了更 大 量的前驱体消耗 (单周 期多次加药)以 及对 反 应物 及 产物的在 线监测。而 平 面 A L D 设备的腔室 尽可 能设计的 小 ，同时 由 于 半 导 体 A L D 工艺 较 快 的 反 应 周期，一 般 会 选 择 测试镀层 厚 度 或质 量 的变 化 ，而不 会 监 测反 应 物 和产 物 的 变 化 ，但 这 并不适用 于 粉 末样 品 。粉 末 A L D 设 备会考 虑 到 大 批 是 单次 加 药的需 求 ，并利 用 在 线质谱实时监测反应 过 程 中 前 驱体以及产物的变 化 ，从而判断涂层 生 长 的状况 。 难 点2.粉末易团聚 ，传统方法很难 实 现均 匀 的涂层包覆 粉末材料 颗 粒 间 的 范 德华力和颗粒 表 面 水分引起的 液 桥 力 均会造 成 严 重 的团聚 ，影 响粉 末分散性 ，对包 覆 造成 不 良 影 响。此 外 前 驱体的注入方向 如 不能 穿 过粉末床 层 ，则 前 驱 体 与 粉末无法充分接触，反应不充分。因 此所 有 的粉末表面改性 方 法都 需要考 虑 如何 使 粉 末 分散 并 与 反应 物 充分 接 触。粉 末 A L D 设 备会 采 用 诸 如 ：流 化 ，旋 转 ，振动 等手 段 辅 助粉末 在 AL D 反 应 的过 程 中 持 续保 持 分散状 态 。 不进行 粉 末 分 散 很 难得 到 均 匀的粉 末 表面 涂 层 难 点3.卜如何扩大为工业级方案 使 用半导体 ALD 设 备 或 者 其 它 P V D 的 方 法 可 以处 理 毫 克或 者 克级的粉 末样 品，但 却 很 难处 理 百 克 级 甚 至公斤级的粉 末 。只 有解决粉末 A L D 反 应 的效 率 问题以及均匀性 ，方 案 才有放 大 的 可 能性 。F o r g e Na no 可 在 所 有实验级方 案 的 基 础 上 ，采 用 空 间 AL D 的方 法，可放大实 现 干 吨 级的粉 末 处 理 量 。 小 至毫 克，大至千 吨 的 PA L D 方 案 ，成 果 转 化的完美 选 择 ●Forge Nano 专为科研打造的 PALD 利器 这 里显示了一些快速流化的粉末 复 纳 科技 ￥22 APPLICATION 通 过 P A L D 技术 ，可 以 实 现催化剂粉 末 材料表面的涂层或活性位点制 备 。无论是 在 化 工 品 催 化或 典 型的 制 氢 /燃 料 电 池中，纳 米 级催 化 剂 存 在 烧 结 或 者 浸 出 的问题。使 用 A LD 技 术 可以在 典 型 的如 P d /Al 2O 3 催 化 剂表 面构筑涂 层 ，可 避 免 催 化剂的烧结与 浸出 ，从而使实 现 稳 定 的 芳烃氢化 反 应。 全包预 钝 化 ，活 性 组分 ，催化 剂 壳层 对 于 非粉末的样 品 如 一 维纳米线 ，来自美 国 国 家 可 再 生 能 源实验室的研究中，使 用 高 通 量的 AL D 技术构筑 Pt 催 化剂 涂 层 ，可 实 现 Ni /C o 纳米线材 料 的 高 效 催 化，并 防止 金 属 元素浸出损耗。同时由于 A L D 方 法的独 特 性 ，使 其 成为 构 筑 单 原 子层催 化 剂 的 有 效 手 段。 PA L D 在 纳米 线 表 面 构 筑 催化剂 涂层 促 进高效催化 以 锂 离 子 电 池 为代表的 电 池 材 料，在充放电 时 存 在 容 量 不 可 逆 转的下 降 ，甚 至 引 起 安 全 事 故 。对 电 极材 料 (正 极钴酸 锂 ，三 元 体 系 ；负极石 墨 ，硅 材料 )的包 覆 处 理是 从源头 改 善电 池 性 能的 重 要 手段 。 PA L D 在 N M C 粉 末 表 面 包 顆氧化 物 涂 层 通过 对正极 包 覆 常 规 的氧 化 物 或 者 固 态电 解 质涂层，可 以明 显 提 升 电 池的 电 化 学 性 能 ，并 提 升 其安全 性 ，而对于 硅 负 极 材料，有 机 M LD 涂层可 以 较 好地匹配 硅 负极 体 积膨胀 的特点，有 效提升 使 用寿命 。利 用 A LD 可包 覆 均匀 保 形且 厚 度可 控 的 A L D 涂 层 ，可 有 效替代 干法 以及湿法 ，在 工 业 层 面 实现 是 产级别包 覆。(相 关 内容 ：粉末 A L D 包覆 技术为电池穿 上 铠 甲 ) 02金属/陶瓷粉末 金 属 粉末 在 包 括粉 末 冶金，光伏 ， M L CC 浆料等领域 都 有 较多应用。通 过 A L D 技 术 进 行粉末包覆后，材 料的 抗 侵 蚀，耐潮 ，流动性 有 明 显 改 善 ，同 时 涂层成 分 的变 化还可以 赋 予 粉末功能，如 改变 其 反 射 率 ，亲水性 等 ，扩 大应用场 景 。 ALD 对金属 /陶 瓷 粉 末 实 现 表 面 钝 化 F c 我 们 的合作伙伴 PARTNERS 0 P A L D (粉 末 原子 层 沉 积 )技术在 提 出 后 ，因 为 缺 乏 低成 本 高 通 量 的 包 装 手 段 ，一直 没 有 被 广 泛应用到粉 末工 程 中 。 L i chty 在科 罗 拉多 大 学就读期 间 参 与 开发 了 规模化的 P AL D 纳米涂 层 技 术 ，但学 校 的 技术应用部拒绝将其推向市场 。随 后 P a ul L i c hty 用 一 美 元 买下 了 此专 利 并 成立 了 F o r g e Na no 公司 ，继续 P A L D 技术 的 研发和 推广事 业 ，且 成 功获 得 大众、L G 化 学 等 大 型 企 业 的 投资。 十 年后 ， F N 成为全 球 唯 一 可 实现 ALD 粉末包 覆 工业级 量 产 的 企业 ，并已为 橡 树 岭国 家 实验室 、马里兰大学、美国 国 家 可 再 生 能 源 实验室 等 研 究 院 所 提 供 P A L D 解 决 方 案 ，并 与众多全 球 500 强企 业 展 开规模 化 P A L D 应 用 合作开发。 Argonne Nouryon NAT I ON AL L ABORAT O R YO F VOLKSWA G EN E R I CA Air Liquide 三井金属 MAX -PLANCK -G ESEL L S CHAFT LG Energy Solu t ion 获取更 多 关 于 PA L D 方 案 信 息 ，欢 迎 扫 码 或 者电话 联系 我 们 ：400 857 8882 复纳科技 复纳科 学 仪 器 (上 海)有限公司 致 力于 为 实 验 室样 品 制备与检 测 提供智 能 、高效、可 靠的 ... 55篇原 创 内 容