Du faisceau à la batterie: suraliments d'impression laser en une seule étape

Une équipe de recherche a développé une technique d'impression laser en une seule étape innovante pour accélérer la fabrication de batteries lithium-soufre.

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.

Une équipe de recherche a développé une technique d'impression laser en une seule étape pour la fabrication rapide des batteries au lithium-sulfure. Cette technique intègre la synthèse des matériaux actifs et la préparation de la cathode en termes longs dans un processus de conversion induit par laser à l'échelle nanoseconde, et est défini à la production industrielle future de dispositifs de stockage électrochimique électrochimiques imprimables.

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.

L'équipe était dirigée par le professeur Mitch Li Guijun, professeur adjoint de la Division des systèmes intégratifs et de la conception à l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST). Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.

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.

Les batteries au lithium-sulfure promettent des candidats prometteurs pour remplacer les batteries lithium-ion existantes en raison de la forte densité d'énergie théorique des cathodes de soufre. Pour assurer la conversion rapide des espèces de soufre, ces cathodes sont généralement composées de matériaux actifs, de matériaux hôtes (ou de catalyseurs) et de matériaux conducteurs.

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.

Cependant, la fabrication de matériaux hôtes et la préparation des cathodes de soufre impliquent souvent des processus complexes, multistant et à forte intensité de main-d'œuvre qui nécessitent des températures et conditions variables, qui pose des défis pour une production industrielle efficace et à faible coût.

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

Pour surmonter ces défis, l'équipe du professeur Li a développé une technique d'impression laser en une seule étape pour la fabrication rapide de cathodes de soufre intégrés.

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.

Au cours de ce processus d'irradiation à impulsion laser à haut débit, le donneur de précurseur est activé, effectuant des particules de jet qui incluent des nanotubes hybrides à base de halloysite synthétisées in situ (matériau hôte), des espèces de soufre (matériau actif) et du carbone poreux dérivé du glucose (composant conducteur). Le mélange est imprimé sur un accepteur de tissu de carbone, formant une cathode de soufre intégrée. Notamment, les cathodes de soufre imprimées au laser présentent des performances exceptionnelles dans les cellules au lithium-sulfure de la pièce et de la pochette.

Prof. Li. said:

Prof. Li. dit:

“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,

«Les processus de fabrication traditionnels d'une cathode / anode dans la batterie ionique contiennent généralement la synthèse de matériaux actifs (parfois combinés avec des matériaux hôtes / catalyseur), la préparation d'une suspension du mélange et l'assemblage de cathode / 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.”

«Ces étapes sont généralement effectuées séparément sous différentes températures et conditions car les matériaux se comportent différemment. En conséquence, l'ensemble du processus peut prendre des dizaines d'heures ou même plusieurs jours.»

Prof. Li said,

Le professeur Li a dit,

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

«Notre technologie de conversion induite par le laser nouvellement développée offre un moyen de combiner ces processus en une seule étape à des vitesses de nanoseconde.

“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.”

"La vitesse d'impression peut atteindre environ 2 cm2 / minute en utilisant un seul laser à faisceau unique. Une cathode de soufre de 75 × 45 mm2 peut être imprimée en 20 minutes et alimenter un petit écran pendant plusieurs heures lorsqu'il est assemblé dans une cellule de poche lithium-sulfur."

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

Le Dr Yang Rongliang, le premier auteur de ce travail et ancien boursier postdoctoral à HKUST, a ajouté,

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

«Ces résultats intrigants ont généré à partir de notre étude sur l'interaction laser-matériau.

“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.”

«Le processus de conversion induit par le laser peut être caractérisé comme un phénomène thermique ultra-concentré.

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

Les matériaux précurseurs se décomposent et les particules décomposées se recombinent pour former de nouveaux matériaux.

“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.”

«Ce processus thermique ultra-concentré permet non seulement la formation et la combinaison de matériaux avec différentes natures, mais entraîne également les micro-explosions concomitantes qui facilitent le jet et le transfert de particules de formation.»