빔에서 배터리로 : 단일 단계 레이저 인쇄 과급 고성능 리튬 공화 배터리

연구팀은 리튬 공화 배터리 제조를 가속화하기 위해 혁신적인 단일 단계 레이저 인쇄 기술을 개발했습니다.

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.

연구팀은 리튬 공화 배터리의 빠른 제조를위한 단일 단계 레이저 인쇄 기술을 개발했습니다. 이 기술은 나노 초 규모의 레이저 유발 전환 공정에서 일반적으로 시간이 많이 걸리는 활성 재료 합성 및 캐소드 준비를 통합하며, 인쇄 가능한 전기 화학 에너지 저장 장치의 향후 산업 생산으로 설정됩니다.

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.

이 팀은 홍콩 과학 기술 대학 (HKUST)의 통합 시스템 및 디자인 부서의 조교수 인 Mitch Li Guijun 교수가 이끌었습니다. 결과는 자연 커뮤니케이션 저널에 실 렸습니다.

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.

리튬-공화 배터리는 황토의 높은 이론적 에너지 밀도로 인해 기존 리튬 이온 배터리를 대체 할 수있는 후보자입니다. 황 종의 빠른 전환을 보장하기 위해, 이들 캐소드는 일반적으로 활성 물질, 숙주 재료 (또는 촉매) 및 전도성 물질로 구성됩니다.

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.

그러나, 숙주 재료의 제조 및 황토의 제조에는 종종 온도와 조건이 다양한 온도와 조건을 필요로하는 복잡하고 다단계 및 노동 집약적 과정이 포함되며, 이는 효율적이고 저렴한 산업 생산에 어려움을 겪고있다.

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

이러한 과제를 극복하기 위해 Li 교수의 팀은 통합 황 카토드의 빠른 제조를위한 단일 단계 레이저 인쇄 기술을 개발했습니다.

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.

이 고 처리량 레이저-펄스 조사 공정 동안, 전구체 공여체는 활성화되어, 현장 합성 할로이 사이트 기반 하이브리드 나노 튜브 (숙주 재료), 황 종 (활성 물질) 및 포도당 유래 고유 탄소 (전도성 성분)를 포함하는 분사 입자를 수행한다. 혼합물을 탄소 직물 수용체에 인쇄하여 통합 된 황 캐소드를 형성합니다. 특히, 레이저 인쇄 황은 캐소드는 코인 및 파우치 리튬-설 푸르 세포 모두에서 뛰어난 성능을 보여줍니다.

Prof. Li. said:

Li. 말했다:

“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,

“이온 배터리에서 캐소드/양극의 전통적인 제조 공정은 일반적으로 활성 재료의 합성 (때로는 숙주 재료/촉매와 결합), 혼합물 슬러리의 제조 및 음극/양극의 조립을 포함합니다.

“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.”

"이러한 단계는 재료가 다르게 행동하기 때문에 일반적으로 다른 온도와 조건에서 별도로 수행됩니다. 결과적으로 전체 프로세스는 수십 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있습니다."

Prof. Li said,

리 교수는 말했다.

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

“새로 개발 된 레이저로 인한 전환 기술은 이러한 프로세스를 나노초 속도로 단일 단계로 결합하는 방법을 제공합니다.

“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.”

"인쇄 속도는 단일 빔 레이저 만 사용하여 약 2 cm2/분을 달성 할 수 있습니다. 75 × 45 mm2 황 캐드는 20 분 이내에 인쇄 할 수 있으며 리튬-설퍼 파우치 셀에 조립할 때 몇 시간 동안 작은 스크린의 전력을 공급할 수 있습니다."

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

이 작품의 첫 번째 저자이자 Hkust의 전 박사후 연구원 인 Yang Rongliang 박사는 덧붙였다.

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

“이러한 흥미로운 발견은 레이저-물질 상호 작용에 대한 우리의 연구에서 생성되었습니다.

“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.”

"레이저 유발 전환 공정은 초경량 열 현상으로 특성화 될 수 있습니다. 조사 된 재료는 복잡한 일시적 가열 및 냉각 공정을 거치며 이론적 일시 온도는 최대 수천도의 켈빈에 도달합니다."

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

전구체 재료는 분해되고, 분해 된 입자는 재조합되어 새로운 재료를 형성한다.

“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.”

"이 초기가 열광적 인 열 공정은 다른 본성과 재료의 형성 및 조합을 가능하게 할뿐만 아니라 형성 입자의 분사 및 전달을 용이하게하는 수반되는 미세 폭발을 유발합니다."