超快激光器如何提升锂离子电池性能？

新型材料架构和电极表面构造用于高功率动力锂电池，以提升电池寿命及稳定性。

在过去二十年间，锂离子电池(LIBs)在蓄电池市场作为高效电源新选择应运而生。锂离子电池通常被用于储存绿色能源(如太阳能及风能)，同时也被作为新能源汽车动力源。但是，目前仍面对着一些难题，如高生产成本、电池寿命较短、安全问题及较长充电时间等。其中最重要问题是锂离子电池生产中的电解液浸润问题，目前通过持续抽真空及升温储存方式得到实现。电极不充分浸润将导致产品故障率提升，同时也会减少电池容量及寿命。

3D电极架构的发展成为锂离子电池克服电池性能相关问题(例如功率损耗或高电极电阻)及热降解的新方法。3D电池可以实现大面积能量容量，同时保持高能量密度。通用的方法时，在薄膜电极沉积之前，3D构造电极基底(集电器)。然而不幸的是，该方法尚处于薄膜微电池模拟电极早期阶段。此外，该方法可扩展性差，并不适用于厚膜复合电极或大电极领域。

在卡尔斯鲁厄理工学院，我们开发了新一代3D电极构造技术，适用于所有类型的锂离子电池(包括薄膜电池及高能高功率电池)。通过该方法，我们首次利用激光辅助加工来激活电极材料本身。为了达到这个目的，我们建立了不同的激光加工技术来新增活性表面积，例如电极激光辅助自组织结构化和直接结构化。第一种方法可用于电极面积较小的薄膜及厚膜电池(钮扣电池)。第二种方法可用于电极覆盖面积较大的电池(软包电池)。

我们通过248nm准分子激光器消融出现自组织表面结构。如图1所示，锂钴氧化物和锂镍锰钴氧化物(NMC)厚膜及薄膜电极。这种自组织结构化能够实现重要基于材料选择性消融及材料再沉积。通过激光制图可防止物质损失，我们发现活性表面积可以新增10倍。同时我们通过使用200ns光纤激光器或380fs超快光纤激光器直接激光结构化形成3D微观结构，如图1b中所示。我们通过周围空气状态控制结构化过程，并通过排弃系统剥离烧蚀的材料。

图1激光生成复合电极材料微观结构扫描电子显微镜观察图像。(a)自组织微观结构(通过准分子激光器生成)和(b)通过超快(飞秒)激光结构化形成微柱结构。

为了形成厚膜电极毛细微观结构的纳秒及超快激光结构化方法，极大地促进电解液浸润同质化速度。如图2所示。我们发现适宜的构造设计和彻底去除电极材料形成的消融区可供应最有效率的毛细传输。纳秒激光消融并不适合所有类型的电极材料。例如，磷酸铁锂在纳秒激光诱导热效应区发生化学物质转变(通过超快激光冷消融可以防止)。此外，相关于纳秒激光，超快激光消融效率更高。活性材料的损失也能从20%降到低于5%。

图2单滴电解液浸润(a)非结构化(b)到(d)激光机构化厚膜电极

通过机构化NMC电极的锂离子电池，放电容量可以达到2290周期，如图3所示。而没有通过机构化电极的锂离子电池寿命只能达到141周期(除去储存过程中的损失)。电池寿命的极大提升，重要由于激光形成的微毛细结构使得电解液更加高效快速地传输。

图3未结构化软包电池(上)及激光结构化锂镍锰氧化钴电极(下)电池电极-放电能力曲线图

总而言之，我们开发了一种新型激光辅助处理方法，可新增锂离子电池活性表面积。我们通过激光构建的电极毛细结构，可以提升电池稳定性及缩短生产时间。改进循环寿命及提升容量保持率意味着高功率二次应用成为可能。未来我们将继续改进活性材料，进一步提升电极覆盖面积，从而显著地降低成本，提升电池性能及安全性。