超快激光器如何提升鋰離子電池性能？

　　新型材料架構和電極表面構造用于高功率動力電池，以提升電池壽命及穩定性。

　　在過去二十年間，鋰離子電池(LIBs)在蓄電池市場作為高效電源新選擇應運而生。鋰離子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，目前仍面臨著一些難題，如高生產成本、電池壽命較短、安全問題及較長充電時間等。其中最主要問題是鋰離子電池生產中的電解液浸潤問題，目前通過持續抽真空及升溫儲存方式得到實現。電極不充分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離子電池克服電池性能相關問題(例如功率損耗或高電極電阻)及熱降解的新方案。3D電池可以實現大面積能量容量，同時保持高能量密度。通用的方法時，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，該方法可擴展性差，并不適用于厚膜復合電極或大電極領域。

　　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離子電池(包括薄膜電池及高能高功率電池)。通過該方法，我們首次利用激光輔助加工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加工技術來增加活性表面積，例如電極激光輔助自組織結構化和直接結構化。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248nm準分子激光器消融產生自組織表面結構。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主要基于材料選擇性消融及材料再沉積。通過激光制圖可避免物質損失，我們發現活性表面積可以增加10倍。同時我們通過使用200ns光纖激光器或380fs超快光纖激光器直接激光結構化形成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細微觀結構的納秒及超快激光結構化方法，極大地促進電解液浸潤同質化速度。如圖2所示。我們發現適宜的構造設計和徹底去除電極材料形成的消融區可提供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避免)。此外，相對于納秒激光，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電極的鋰離子電池，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離子電池壽命只能達到141周期(除去儲存過程中的損失)。電池壽命的極大提升，主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處理方法，可增加鋰離子電池活性表面積。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生產時間。改進循環壽命及提升容量保持率意味著高功率二次應用成為可能。未來我們將繼續改進活性材料，進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。