创新激光工艺：锂硫电池正极的单步制造方法

来自 实验室仪器网

由香港科技大学综合系统与设计学部助理教授李桂军教授领导的研究团队开发出一种创新的单步激光打印技术，以推进锂硫电池制造。

这种新方法将通常耗时的活性材料合成和阴极制造过程整合成一种快速的纳秒级激光诱导转换过程。它为可印刷电化学储能装置的工业化生产提供了一种充满希望的途径。

由于硫正极具有较高的理论能量密度，锂硫电池有望超越传统的锂离子电池。这类正极需要活性材料、主体材料（或催化剂）和导电组分的组合，以实现硫物质的有效转化。

然而，生产主体材料和组装硫正极通常涉及复杂的多步骤工序，需要特定的温度和条件。这些工艺劳动密集，在效率和大规模生产成本方面面临巨大挑战。

为了应对这些挑战，李教授团队开发了一种新颖的单步激光打印技术，用于快速生产集成硫正极。在这种高通量激光脉冲辐照过程中，前驱体供体被激活，产生喷射颗粒，这些颗粒同时形成基于埃洛石的混合纳米管（作为主体材料）、硫物质（活性材料）和葡萄糖衍生的多孔碳（导电组分）。

该复合材料直接打印在碳纤维受体上，形成完全集成的硫正极。激光打印的硫正极在纽扣式和袋式锂硫电池中均表现出优异的性能。

传统的离子电池正极/负极制造工艺通常包括活性材料的合成（有时还需与主体材料/催化剂混合）、混合浆料的制备以及正极/负极的组装。由于材料性能差异，这些步骤通常在不同的温度和条件下分别进行。因此，整个过程可能需要数十小时甚至数天的时间。

李教授补充道：“我们新开发的激光诱导转换技术提供了一种方法，可以将这些过程以纳秒级的速度合并为一个步骤。仅使用单束激光，打印速度即可达到约2平方厘米/分钟。一个75×45平方毫米的硫 阴极可在20分钟内打印完成，组装到锂硫软包电池中后，可为小屏幕供电数小时。”

该研究的第一作者、前香港科技大学博士后研究员杨荣亮博士解释说：“这些有趣的发现源于我们对激光与材料相互作用的研究。激光诱导的转化过程可以描述为一种超浓缩热现象。受辐照的材料会经历复杂的瞬态加热和冷却过程，理论上的瞬态温度可达数千开尔文。”

杨荣良博士补充道：“前驱体材料分解，分解后的颗粒重新结合形成新材料。这种超浓缩热过程不仅能够形成和组合不同性质的材料，还能驱动伴随的微爆炸，促进形成颗粒的喷射和转移。”

香港科技大学综合系统与设计学部前博士后杨荣良博士为该研究的第一作者，李贵军教授为通讯作者。

该研究还得到了中南大学和中国地质大学的唐爱东教授，以及长沙矿冶研究院有限公司李天宝和涂飞跃高级工程师的贡献。该项目由香港创新科技署（ITC）资助，项目编号为MHP/060/21。

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