Von Strahl zu Batterie: Einstufige Laserdruckladungen Hochleistungs-Lithium-Sulfur-Batterien mit hoher Leistung

Ein Forschungsteam hat eine innovative einstufige Laserdrucktechnik entwickelt, um die Herstellung von Lithium-Sulfur-Batterien zu beschleunigen.

A research team has developed a single-step laser printing technique for the rapid manufacturing of lithium-sulfur batteries. This technique integrates the commonly time-consuming active materials synthesis and cathode preparation in a nanosecond-scale laser-induced conversion process, and is set to future industrial production of printable electrochemical energy storage devices.

Ein Forschungsteam hat eine einstufige Laserdrucktechnik für die schnelle Herstellung von Lithium-Sulfur-Batterien entwickelt. Diese Technik integriert die häufig zeitaufwändige aktive Materialsynthese und die Kathodenvorbereitung in einem Laser-induzierten Umwandlungsprozess im Nanosekundenbereich und wird auf die zukünftige industrielle Produktion druckbarer elektrochemischer Energiespeicher eingestellt.

The team was led by Prof. Mitch Li Guijun, Assistant Professor from the Division of Integrative Systems and Design at the Hong Kong University of Science and Technology (HKUST). The findings are published in the journal Nature Communications.

Das Team wurde von Prof. Mitch Li Guijun, Assistenzprofessor der Abteilung für integrative Systeme und Design an der Hongkong University of Science and Technology (HKUST), geleitet. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Lithium-sulfur batteries are promising candidates to supersede existing lithium-ion batteries due to sulfur cathodes’ high theoretical energy density. To ensure the rapid conversion of sulfur species, these cathodes are typically composed of active materials, host materials (or catalysts), and conductive materials.

Lithium-Sulfur-Batterien sind vielversprechende Kandidaten, um bestehende Lithium-Ionen-Batterien aufgrund der hohen theoretischen Energiedichte der Schwefelkathen zu ersetzen. Um die schnelle Umwandlung von Schwefelspezies zu gewährleisten, bestehen diese Kathoden typischerweise aus aktiven Materialien, Wirtsmaterial (oder Katalysatoren) und leitfähigen Materialien.

However, the fabrication of host materials and preparation of sulfur cathodes often involve complicated, multistep, and labor-intensive processes that require varying temperatures and conditions, which poses challenges for efficient and low-cost industrial production.

Die Herstellung von Wirtsmaterialien und die Herstellung von Schwefelkathen beinhalten jedoch häufig komplizierte, mehrstufige und arbeitsintensive Prozesse, die unterschiedliche Temperaturen und Bedingungen erfordern, was die Herausforderungen für eine effiziente und kostengünstige industrielle Produktion darstellt.

To overcome these challenges, Prof. Li’s team developed a single-step laser printing technique for the rapid manufacturing of integrated sulfur cathodes.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelte das Team von Prof. Li eine einstufige Laserdrucktechnik für die schnelle Herstellung integrierter Schwefelkathen.

During this high-throughput laser-pulse irradiation process, the precursor donor is activated, performing jetting particles that include in-situ synthesized halloysite-based hybrid nanotubes (host material), sulfur species (active material), and glucose-derived porous carbon (conductive component). The mixture is printed onto a carbon fabric acceptor, forming an integrated sulfur cathode. Notably, the laser-printed sulfur cathodes demonstrate outstanding performance in both coin and pouch lithium-sulfur cells.

Während dieses Hochdurchsatz-Laser-Puls-Bestrahlungsprozesses wird der Vorläuferspender aktiviert, wobei Dettenteilchen durchführen, die in-situ-synthetisierte heiliger hybride Nanoröhren (Wirtsmaterial), Schwefelspezies (aktives Material) und Glucose-abgelebter Kohlenstoff (leitender Bestandteil) umfassen. Die Mischung wird auf einen Kohlenstoffgewebeakzeptor gedruckt und bildet eine integrierte Schwefelkathode. Bemerkenswerterweise zeigen die Laser-gedruckten Schwefelkathen sowohl in Münz- als auch in Beutel-Lithium-Sulfur-Zellen eine herausragende Leistung.

Prof. Li. said:

Prof. Li. sagte:

“Traditional manufacturing processes of a cathode/anode in ion battery usually contain the synthesis of active materials (sometimes combined with host material/ catalyst), the preparation of mixture slurry, and the assembly of cathode/anode,

„Traditionelle Herstellungsprozesse einer Kathode/Anode in Ionenbatterie enthalten normalerweise die Synthese von aktiven Materialien (manchmal in Kombination mit Wirtsmaterial/Katalysator), der Herstellung von Mischschleizungen und der Montage von Kathoden/Anode.

“These steps are usually carried out separately under different temperatures and conditions because the materials behave differently. As a result, the whole process can take tens of hours or even several days.”

"Diese Schritte werden normalerweise unter verschiedenen Temperaturen und Bedingungen getrennt durchgeführt, da sich die Materialien unterschiedlich verhalten. Infolgedessen kann der gesamte Prozess zehn Stunden oder sogar mehrere Tage dauern."

Prof. Li said,

Prof. Li sagte:

“Our newly developed laser-induced conversion technology offers a way to combine these processes into a single step at nanosecond speeds.

„Unsere neu entwickelte Laser-induzierte Conversion-Technologie bietet eine Möglichkeit, diese Prozesse zu einem einzigen Schritt bei Nanosekundengeschwindigkeiten zu kombinieren.

“The printing speed can achieve about 2 cm2/minute using only a single beam laser. A 75 × 45 mm2 sulfur cathode can be printed within 20 minutes and supply power for a small screen for several hours when assembled into a lithium-sulfur pouch cell.”

"Die Druckgeschwindigkeit kann mit nur einem einzelnen Strahllaser etwa 2 cm2/Minute erreichen. Eine 75 × 45 mm2 Schwefelkathode kann innerhalb von 20 Minuten gedruckt werden und liefert für einen kleinen Bildschirm für mehrere Stunden, wenn sie in eine Lithium-Sulfur-Beutelzelle zusammengesetzt sind."

Dr. Yang Rongliang, the first author of this work and former postdoctoral fellow at HKUST, added,

Dr. Yang Rongliang, der Erstautor dieses Werkes und ehemaliger Postdoktorand bei HKUST, fügte hinzu.

“These intriguing findings generated from our study on laser-material interaction.

„Diese faszinierenden Ergebnisse, die aus unserer Studie zur Lasermaterialinteraktion erzeugt wurden.

“The laser-induced conversion process can be characterized as an ultra-concentrated thermal phenomenon. The irradiated materials undergo a complex transient heating and cooling process, with theoretical transient temperatures reaching up to thousands of degrees Kelvin.”

"Der laserinduzierte Umwandlungsprozess kann als ultra-konzentriertes thermisches Phänomen charakterisiert werden. Die bestrahlten Materialien erfahren einem komplexen vorübergehenden Erwärmungs- und Kühlprozess, wobei theoretische transiente Temperaturen bis zu Tausende von Grad Kelvin erreichen."

The precursor materials decompose, and the decomposed particles recombine to form new materials.

Die Vorläufermaterialien zersetzen, und die zerfetzten Partikel rekombine, um neue Materialien zu bilden.

“This ultra-concentrated thermal process not only enables the formation and combination of materials with different natures, but also drives the concomitant micro-explosions that facilitate the jetting and transferring of forming particles.”

"Dieser ultra-konzentrierte thermische Prozess ermöglicht nicht nur die Bildung und Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Naturen, sondern treibt auch die gleichzeitigen Mikrobelastungen an, die das Detting und die Übertragung von Bildern von Partikeln erleichtern."