超快激光器如何提升鋰離子電池性能？

　　新型材料架構(gòu)和電極表面構(gòu)造用于高功率動(dòng)力電池，以提升電池壽命及穩(wěn)定性。

　　在過(guò)去二十年間，鋰離子電池(LIBs)在蓄電池市場(chǎng)作為高效電源新選擇應(yīng)運(yùn)而生。鋰離子電池通常被用于儲(chǔ)存綠色能源(如太陽(yáng)能及風(fēng)能)，同時(shí)也被作為新能源汽車動(dòng)力源。但是，目前仍面臨著一些難題，如高生產(chǎn)成本、電池壽命較短、安全問題及較長(zhǎng)充電時(shí)間等。其中最主要問題是鋰離子電池生產(chǎn)中的電解液浸潤(rùn)問題，目前通過(guò)持續(xù)抽真空及升溫儲(chǔ)存方式得到實(shí)現(xiàn)。電極不充分浸潤(rùn)將導(dǎo)致產(chǎn)品故障率提升，同時(shí)也會(huì)減少電池容量及壽命。

　　3D電極架構(gòu)的發(fā)展成為鋰離子電池克服電池性能相關(guān)問題(例如功率損耗或高電極電阻)及熱降解的新方案。3D電池可以實(shí)現(xiàn)大面積能量容量，同時(shí)保持高能量密度。通用的方法時(shí)，在薄膜電極沉積之前，3D構(gòu)造電極基底(集電器)。然而不幸的是，該方法尚處于薄膜微電池模擬電極早期階段。此外，該方法可擴(kuò)展性差，并不適用于厚膜復(fù)合電極或大電極領(lǐng)域。

　　在卡爾斯魯厄理工學(xué)院，我們開發(fā)了新一代3D電極構(gòu)造技術(shù)，適用于所有類型的鋰離子電池(包括薄膜電池及高能高功率電池)。通過(guò)該方法，我們首次利用激光輔助加工來(lái)激活電極材料本身。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們建立了不同的激光加工技術(shù)來(lái)增加活性表面積，例如電極激光輔助自組織結(jié)構(gòu)化和直接結(jié)構(gòu)化。第一種方法可用于電極面積較小的薄膜及厚膜電池(鈕扣電池)。第二種方法可用于電極覆蓋面積較大的電池(軟包電池)。

　　我們通過(guò)248nm準(zhǔn)分子激光器消融產(chǎn)生自組織表面結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)化能夠?qū)崿F(xiàn)主要基于材料選擇性消融及材料再沉積。通過(guò)激光制圖可避免物質(zhì)損失，我們發(fā)現(xiàn)活性表面積可以增加10倍。同時(shí)我們通過(guò)使用200ns光纖激光器或380fs超快光纖激光器直接激光結(jié)構(gòu)化形成3D微觀結(jié)構(gòu)，如圖1b中所示。我們通過(guò)周圍空氣狀態(tài)控制結(jié)構(gòu)化過(guò)程，并通過(guò)排棄系統(tǒng)剝離燒蝕的材料。

　　圖1 激光生成復(fù)合電極材料微觀結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡觀察圖像。(a)自組織微觀結(jié)構(gòu)(通過(guò)準(zhǔn)分子激光器生成)和(b)通過(guò)超快(飛秒)激光結(jié)構(gòu)化形成微柱結(jié)構(gòu)。

　　為了形成厚膜電極毛細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的納秒及超快激光結(jié)構(gòu)化方法，極大地促進(jìn)電解液浸潤(rùn)同質(zhì)化速度。如圖2所示。我們發(fā)現(xiàn)適宜的構(gòu)造設(shè)計(jì)和徹底去除電極材料形成的消融區(qū)可提供最有效率的毛細(xì)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(dǎo)熱效應(yīng)區(qū)發(fā)生化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)變(通過(guò)超快激光冷消融可以避免)。此外，相對(duì)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(rùn) (a)非結(jié)構(gòu)化 (b)到(d)激光機(jī)構(gòu)化厚膜電極

　　通過(guò)機(jī)構(gòu)化NMC電極的鋰離子電池，放電容量可以達(dá)到2290周期，如圖3所示。而沒有通過(guò)機(jī)構(gòu)化電極的鋰離子電池壽命只能達(dá)到141周期(除去儲(chǔ)存過(guò)程中的損失)。電池壽命的極大提升，主要由于激光形成的微毛細(xì)結(jié)構(gòu)使得電解液更加高效快速地傳輸。

　　圖3 未結(jié)構(gòu)化軟包電池(上)及激光結(jié)構(gòu)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(fā)了一種新型激光輔助處理方法，可增加鋰離子電池活性表面積。我們通過(guò)激光構(gòu)建的電極毛細(xì)結(jié)構(gòu)，可以提升電池穩(wěn)定性及縮短生產(chǎn)時(shí)間。改進(jìn)循環(huán)壽命及提升容量保持率意味著高功率二次應(yīng)用成為可能。未來(lái)我們將繼續(xù)改進(jìn)活性材料，進(jìn)一步提升電極覆蓋面積，從而顯著地降低成本，提升電池性能及安全性。