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

Integration der häufig zeitaufwändigen aktiven Materialsynthese und der Kathodenvorbereitung in einem Laser-induzierten Konvertierungsprozess im Nanosekundenbereich wird diese Technik die zukünftige industrielle Produktion druckbarer elektrochemischer Energiespeicher revolutionieren.

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

Ein Forschungsteam hat eine innovative einstufige Laserdrucktechnik entwickelt, um die Herstellung von Lithium-Sulfur-Batterien zu beschleunigen. Integration der häufig zeitaufwändigen aktiven Materialsynthese und der Kathodenvorbereitung in einem Laser-induzierten Konvertierungsprozess im Nanosekundenbereich wird diese Technik die zukünftige industrielle Produktion druckbarer elektrochemischer Energiespeicher revolutionieren. 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.

The findings of this study are published in the journal Nature Communications.

Die Ergebnisse dieser Studie werden in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Lithium-sulfur batteries are expected 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.

Es wird erwartet, dass Lithium-Sulfur-Batterien bestehende Lithium-Ionen-Batterien aufgrund der hohen theoretischen Energiedichte der Schwefelkathen 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 involves complicated, multistep, and labor-intensive processes that require varying temperatures and conditions, raising concerns about efficiency and cost in 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 und Bedenken hinsichtlich der Effizienz und der Kosten in der industriellen Produktion hervorrufen.

To overcome these challenges, Prof. Li's team developed a novel single-step laser printing technique for the rapid manufacturing of integrated sulfur cathodes. During this high-throughput laser-pulse irradiation process, the precursor donor is activated, producing 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.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelte das Team von Prof. Li eine neuartige einstufige Laserdrucktechnik für die schnelle Herstellung integrierter Schwefelkathen. Während dieses Hochdurchsatz-Laser-Puls-Bestrahlungsprozesses wird der Vorläuferspender aktiviert und produziert mit Spritzpartikeln, die in-situ synthetisierte heiliger hybriden nanoröhren (Wirtmaterial), 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.

"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," said Prof. Li.

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

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

Prof. Li sagte: "Unsere neu entwickelte Laser-induzierte Conversion-Technologie bietet eine Möglichkeit, diese Prozesse in Nanosekundengeschwindigkeiten zu einem einzigen Schritt zu kombinieren. Die Druckgeschwindigkeit kann etwa 2 cm2/Minute unter Verwendung eines einzelnen Strahllasers erreichen. Eine 75 × 45 mm2-Schwefel-Kathoden-Kathoden-Cathos-Cathous-Sulf-SUGE-SUGE-SUGE und eine kleine Sichtweite.

Dr. Yang Rongliang, the first author of this work and former postdoctoral fellow at HKUST, added, "These intriguing findings generated from our study on laser-material interaction. 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.

Dr. Yang Rongliang, der erste Autor dieser Arbeit und ehemaliger Postdoktorand bei HKUST, fügte hinzu: "Diese faszinierenden Befunde, die aus unserer Studie zur Lasermaterialwechselwirkung erzeugt wurden. Der Laser-induzierte Umwandlungsprozess kann als ultra-konzentriertes thermisches Phänomen charakterisiert werden. Tausende von Grad Kelvin.

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

"Die Vorläufermaterialien zersetzen, und die zerfetzten Partikel rekombinieren neue Materialien. Dieser ultra-konzentrierte thermische Prozess ermöglicht nicht nur die Bildung und Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Naturen, sondern treibt auch die begleitenden Mikro-Explosionen an, die den Jagd und die Übertragung von Formingpartikeln erleichtern."

More information: Rongliang Yang et al, Single-step laser-printed integrated sulfur cathode toward high-performance lithium–sulfur batteries, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57755-0

Weitere Informationen: Rongliang Yang et al., Einstufige lasergedruckte integrierte Schwefelkathode in Richtung Hochleistungs-Lithium-Sulfur-Batterien, Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-57755-0