激光如何提高锂离子电池的性能

近期能源需求的激增意味着电池，特别是锂离子电池(LIBs)，已经成为社会不可分割的一部分，改变了便携式电子产品的面貌，为从手机、笔记本电脑、智能设备到电动汽车的一切提供能源。

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与其他蓄电池系统相比，LIBs 能够提供更高的单位体积或单位质量的能量，并且具有更强的可逆容量、无滞后和长周期稳定性。因此，目前科学界关注的重点是改善LIB的结构、效率、容量和性能，以增强其未来的适用性。  

最近，北卡罗来纳州立大学（NC State）的研究人员与美国能源部橡树岭国家实验室的电池测试研究人员进行了一项联合研究。该团队在Carbon杂志上发表了他们的研究结果，其中他们展示了通过使用强大的激光将非常短的脉冲传递到锂离子电池材料上以诱导微小缺陷来提高锂离子电池性能的潜力。

纳秒脉冲激光退火

利用一种被称为纳秒脉冲激光退火的技术，研究小组能够显著提高锂离子电池的循环能力和载流能力。这种技术允许对电池材料进行微结构改造，以增加锂离子捕获位置的密度。

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在研究过程中，研究人员在石墨上测试了他们的技术，石墨是一种通常用于制造锂离子电池阳极的材料。通过改变10个和80个脉冲阵列中的脉冲，该团队能够比较功率和电流容量的差异。

范氏家族材料科学杰出主席NC State表示：“材料缺陷可能令人讨厌，但如果您正确设计它们，您可以使它们成为优势……可以说，这种技术为锂离子打开了大门，因此它增强了电流容量。石墨阳极由表面上的台阶和凹槽组成——创造更多的台阶就像为锂离子进出创造更多的门，这是有益的。”

激光聚焦改进

研究小组通过比较10个脉冲阵列和80个脉冲阵列的结果，寻找增加当前容量所需的最佳脉冲数量。他们发现，在接近10个脉冲标记时，电流容量在脉冲刻度的上端显示出约20%的增长，实际上，过多的缺陷会损害电池性能。

范氏家族材料科学杰出主席NC State表示：“锂离子带有正电荷，所以如果它捕获了一个电子，就变成了锂金属，你不会想要那样的…… 锂金属从石墨阳极上射出微小的金属丝枝晶，会引起火灾。所以你要确保锂离子不会变成金属。”

研究小组报告表明，纳秒脉冲激光退火也会产生空位或缺失原子，这些空位在微观尺度上会产生锂离子可以进出的微小空隙，从而提高电流容量。

聚焦于激光的改进可以使锂离子电池制造商利用纳秒脉冲激光退火和现有技术来生产增强型阳极和阴极。

范氏家族材料科学杰出主席NC State表示：“这些高功率激光器的存在，使你可以在一微秒内处理阳极和阴极。”

微结构激光处理技术产生的空位也被发现在充放电循环中增强锂离子的吸收，从而改善电池的循环性能。

在下一个发展阶段，北卡罗来纳州和美国能源部的合作将侧重于寻找方法使更便宜的材料投入使用，并消除如钴之类的贵金属在电池制造中的使用，以创造成本效益更高，更有效，持续时间更长，提供更多的电力的电池。

参考文献

[1] Kulikowski, M. (2023) Microstructure and defect engineering improves performance of lithium-ion batteries, NC State News. Available at: https://news.ncsu.edu/2023/02/defects-improve-lithium-ion-battery-performance/

[2] Khosla, N. et al. (2023) “Microstructure and defect engineering of graphite anodes by pulsed laser annealing for enhanced performance of lithium-ion batteries,” Carbon, 205, pp. 214–225. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S000862232300009X.