ビームからバッテリーまで：シングルステップレーザー印刷スーパーチャージ高性能リチウム硫黄バッテリー

研究チームは、リチウム硫黄電池の製造を加速するための革新的なシングルステップレーザー印刷技術を開発しました。

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.

研究チームは、リチウム硫黄電池の迅速な製造のためのシングルステップレーザー印刷技術を開発しました。この手法は、ナノ秒のレーザー誘導変換プロセスで一般的に時間のかかるアクティブ材料合成とカソード調製を統合し、印刷可能な電気化学エネルギー貯蔵装置の将来の工業生産に設定されています。

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.

チームは、香港科学技術大学（HKUST）の統合システムおよび設計部門の助教授であるミッチ・リー・ギジュン教授が率いていました。調査結果は、Nature Communications誌に掲載されています。

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.

リチウム硫黄バッテリーは、硫黄カソードの理論的エネルギー密度が高いため、既存のリチウムイオン電池に取って代わる候補です。硫黄種の急速な変換を確保するために、これらのカソードは通常、活性材料、宿主材料（または触媒）、および導電性材料で構成されています。

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.

ただし、宿主材料の製造と硫黄カソードの調製には、多くの場合、さまざまな温度と条件を必要とする複雑な多段階、および労働集約的なプロセスが含まれます。

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

これらの課題を克服するために、Li教授のチームは、統合された硫黄カソードの迅速な製造のためのシングルステップレーザー印刷技術を開発しました。

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.

このハイスループットレーザーパルス照射プロセス中に、前駆体ドナーが活性化され、in-situ合成されたハロイサイトベースのハイブリッドナノチューブ（宿主材料）、硫黄種（活性物質）、およびグルコース由来の多孔質炭素（導電性成分）を含む噴射粒子が実行されます。混合物をカーボンファブリックアクセプターに印刷し、統合された硫黄カソードを形成します。特に、レーザープリント硫黄カソードは、コインとポーチリチウム硫黄細胞の両方で優れた性能を示しています。

Prof. Li. said:

Li教授。言った：

“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,

「イオンバッテリーのカソード/アノードの従来の製造プロセスには、通常、活性材料の合成（宿主材料/触媒と組み合わせた場合もあります）、混合スラリーの調製、およびカソード/アノードのアセンブリが含まれています。

“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.”

「これらの手順は通常、材料が異なる動作をするため、異なる温度と条件の下で個別に実行されます。その結果、プロセス全体に数時間または数日かかる場合があります。」

Prof. Li said,

リー教授は言った、

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

「当社の新しく開発されたレーザー誘導変換技術は、これらのプロセスをナノ秒速度で単一のステップに組み合わせる方法を提供します。

“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.”

「印刷速度は、単一のビームレーザーのみを使用して約2 cm2/分を達成できます。75×45 mm2硫黄カソードを20分以内に印刷し、リチウム硫黄ポーチセルに組み立てたときに数時間、小さなスクリーンに電力を供給できます。」

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

この作品の最初の著者であり、hkustの元ポスドク研究員であるヤン・ロングリアン博士は付け加えました。

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

「これらの興味深い発見は、レーザー材料相互作用に関する研究から生成されました。

“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.”

「レーザー誘発変換プロセスは、超濃縮熱現象として特徴づけることができます。照射された材料は、複雑な一時的な加熱と冷却プロセスを受け、理論的な一時的な温度は最大数千のケルビンに達します。」

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

前駆体材料が分解し、分解された粒子が再結合して新しい材料を形成します。

“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.”

「この超濃縮熱プロセスは、異なる性質を持つ材料の形成と組み合わせを可能にするだけでなく、形成粒子の噴射と転送を促進する付随する微小爆発を促進します。」