超快激光器要怎么樣提升鋰電池性能？

新型材料架構和電極表面構造用于高功率動力鋰離子電池，以提升電池壽命及穩定性。

在過去二十年間，鋰電池(LIBs)在蓄電池市場作為高效電源新選擇應運而生。鋰電池通常被用于儲存綠色能源(如太陽能及風能)，同時也被作為新能源汽車動力源。但是，目前仍面對著一些難題，如高加工成本、電池壽命較短、安全問題及較長充電時間等。其中最緊要問題是鋰電池加工中的電解液浸潤問題，目前通過繼續抽真空及升溫儲存方式得到實現。電極不充足浸潤將導致產品故障率提升，同時也會減少電池容量及壽命。

3D電極架構的發展成為鋰電池克服電池性能相關問題(例如功率損耗或高電極電阻)及熱降解的新辦法。3D電池可以實現大面積能量容量，同時保持高能量密度。通用的辦法時，在薄膜電極沉積之前，3D構造電極基底(集電器)。然而不幸的是，該辦法尚處于薄膜微電池模擬電極早期階段。此外，該辦法可擴展性差，并不適用于厚膜復合電極或大電極范疇。

在卡爾斯魯厄理工學院，我們開發了新一代3D電極構造技術，適用于所有類型的鋰電池(包括薄膜電池及高能高功率電池)。通過該辦法，我們首次利用激光輔助出產來激活電極材料本身。為了達到這個目的，我們建立了不同的激光出產技術來新增活性表面積，例如電極激光輔助自組織結構化和筆直結構化。第一種辦法可用于電極面積較小的薄膜及厚膜電池(鈕扣電池)。第二種辦法可用于電極傾覆面積較大的電池(軟包電池)。

我們通過248nm準分子激光器消融出現自組織表面結構。如圖1所示，鋰鈷氧化物和鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)厚膜及薄膜電極。這種自組織結構化能夠實現緊要基于材料選擇性消融及材料再沉積。通過激光制圖可戒備物質損失，我們發現活性表面積可以新增10倍。同時我們通過使用200ns光纖激光器或380fs超快光纖激光器筆直激光結構化形成3D微觀結構，如圖1b中所示。我們通過周圍空氣狀態控制結構化過程，并通過排棄系統剝離燒蝕的材料。

圖1激光生成復合電極材料微觀結構掃描電子顯微鏡觀察圖像。(a)自組織微觀結構(通過準分子激光器生成)和(b)通過超快(飛秒)激光結構化形成微柱結構。

為了形成厚膜電極毛纖細觀結構的納秒及超快激光結構化辦法，極大地促使電解液浸潤同質化速度。如圖2所示。我們發現合適的構造設計和徹底去除電極材料形成的消融區可供應最有效率的毛細傳輸。納秒激光消融并不適合所有類型的電極材料。例如，磷酸鐵鋰在納秒激光誘導熱效應區發生化學物質轉變(通過超快激光冷消融可以戒備)。此外，相關于納秒激光，超快激光消融效率更高。活性材料的損失也能從20%降到低于5%。

圖2單滴電解液浸潤(a)非結構化(b)到(d)激光機構化厚膜電極

通過機構化NMC電極的鋰電池，放電容量可以達到2290周期，如圖3所示。而沒有通過機構化電極的鋰電池壽命只能達到141周期(除去儲存過程中的損失)。電池壽命的極大提升，緊要由于激光形成的微毛細結構使得電解液更加高效快速地傳輸。

圖3未結構化軟包電池(上)及激光結構化鋰鎳錳氧化鈷電極(下)電池電極-放電能力曲線圖

總而言之，我們開發了一種新型激光輔助解決辦法，可新增鋰電池活性表面積。我們通過激光構建的電極毛細結構，可以提升電池穩定性及縮短加工時間。改進循環壽命及提升容量保持率意味著高功率二次使用成為可能。將來我們將持續改進活性材料，進一步提升電極傾覆面積，從而顯著地降低成本，提升電池性能及安全性。

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