新型材料架構和電極表面構造用于高功率動力鋰電池，以提升電池壽命及穩(wěn)定性。

在過去二十年間，鋰離子電池(LIBs)在蓄電池市場作為高效電源新選擇應運而生。鋰離子電池通常被用于儲存綠色能源(如太陽能及風能)，同時也被作為新能源汽車動力源。但是，目前仍面對著一些難題，如高生產成本、電池壽命較短、安全問題及較長充電時間等。其中最重要問題是鋰離子電池生產中的電解液浸潤問題，目前通過持續(xù)抽真空及升溫儲存方式得到實現。電極不充分浸潤將導致產品故障率提升，同時也會減少電池容量及壽命。

3D電極架構的發(fā)展成為鋰離子電池克服電池性能相關問題(例如功率損耗或高電極電阻)及熱降解的新方法。3D電池可以實現大面積能量容量，同時保持高能量密度。通用的方法時，在薄膜電極沉積之前，3D構造電極基底(集電器)。然而不幸的是，該方法尚處于薄膜微電池模擬電極早期階段。此外，該方法可擴展性差，并不適用于厚膜復合電極或大電極領域。

在卡爾斯魯厄理工學院，我們開發(fā)了新一代3D電極構造技術，適用于所有類型的鋰離子電池(包括薄膜電池及高能高功率電池)。通過該方法，我們首次利用激光輔助加工來激活電極材料本身。為了達到這個目的，我們建立了不同的激光加工技術來新增活性表面積，例如電極激光輔助自組織結構化和直接結構化。第一種方法可用于電極面積較小的薄膜及厚膜電池(鈕扣電池)。第二種方法可用于電極覆蓋面積較大的電池(軟包電池)。

我們通過248nm準分子激光器消融出現自組織表面結構。如圖1所示，鋰鈷氧化物和鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)厚膜及薄膜電極。這種自組織結構化能夠實現重要基于材料選擇性消融及材料再沉積。通過激光制圖可防止物質損失，我們發(fā)現活性表面積可以新增10倍。同時我們通過使用200ns光纖激光器或380fs超快光纖激光器直接激光結構化形成3D微觀結構，如圖1b中所示。我們通過周圍空氣狀態(tài)控制結構化過程，并通過排棄系統(tǒng)剝離燒蝕的材料。

圖1激光生成復合電極材料微觀結構掃描電子顯微鏡觀察圖像。(a)自組織微觀結構(通過準分子激光器生成)和(b)通過超快(飛秒)激光結構化形成微柱結構。

為了形成厚膜電極毛細微觀結構的納秒及超快激光結構化方法，極大地促進電解液浸潤同質化速度。如圖2所示。我們發(fā)現適宜的構造設計和徹底去除電極材料形成的消融區(qū)可供應最有效率的毛細傳輸。納秒激光消融并不適合所有類型的電極材料。例如，磷酸鐵鋰在納秒激光誘導熱效應區(qū)發(fā)生化學物質轉變(通過超快激光冷消融可以防止)。此外，相關于納秒激光，超快激光消融效率更高?；钚圆牧系膿p失也能從20%降到低于5%。

圖2單滴電解液浸潤(a)非結構化(b)到(d)激光機構化厚膜電極

通過機構化NMC電極的鋰離子電池，放電容量可以達到2290周期，如圖3所示。而沒有通過機構化電極的鋰離子電池壽命只能達到141周期(除去儲存過程中的損失)。電池壽命的極大提升，重要由于激光形成的微毛細結構使得電解液更加高效快速地傳輸。

圖3未結構化軟包電池(上)及激光結構化鋰鎳錳氧化鈷電極(下)電池電極-放電能力曲線圖

總而言之，我們開發(fā)了一種新型激光輔助處理方法，可新增鋰離子電池活性表面積。我們通過激光構建的電極毛細結構，可以提升電池穩(wěn)定性及縮短生產時間。改進循環(huán)壽命及提升容量保持率意味著高功率二次應用成為可能。未來我們將繼續(xù)改進活性材料，進一步提升電極覆蓋面積，從而顯著地降低成本，提升電池性能及安全性。