北卡羅來(lái)納州立大學(xué)與美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的電池測(cè)試研究人員合作進(jìn)行的一項(xiàng)新研究表明，來(lái)自高功率激光的極短脈沖會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池材料的微小缺陷 - 可以提高電池性能的缺陷。

該技術(shù)稱(chēng)為納秒脈沖激光退火，僅持續(xù)100納秒，由現(xiàn)代眼科手術(shù)中使用的相同類(lèi)型的激光產(chǎn)生。研究人員在石墨上測(cè)試了該技術(shù)，石墨是一種廣泛用于鋰離子電池陽(yáng)極或正極的材料。他們分10個(gè)脈沖和80個(gè)脈沖分批測(cè)試了該技術(shù)，并比較了電流容量的差異;功率是通過(guò)將電壓乘以電流來(lái)計(jì)算的。

鋰離子電池廣泛用于便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)。隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，這些電池可能會(huì)對(duì)運(yùn)輸產(chǎn)生重大影響，并作為風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源的存儲(chǔ)設(shè)備。

該研究顯示出許多有趣的結(jié)果，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)John C. Fan家族材料科學(xué)杰出Jay Narayan說(shuō)，他是一篇描述這項(xiàng)工作的論文的通訊作者。納拉揚(yáng)在四十多年的工作中率先使用激光來(lái)制造和操縱半導(dǎo)體中的缺陷。這項(xiàng)工作發(fā)表在《碳》雜志上。

“材料缺陷可能令人討厭，但如果你正確地設(shè)計(jì)它們，你可以使它們成為優(yōu)勢(shì)，”他說(shuō)。“可以說(shuō)，這種技術(shù)為鋰離子打開(kāi)了大門(mén)，因此它增強(qiáng)了電流容量。石墨陽(yáng)極由表面上的臺(tái)階和凹槽組成——創(chuàng)造更多的臺(tái)階就像為鋰離子進(jìn)出創(chuàng)造更多的門(mén)，這是有益的。

“該技術(shù)還產(chǎn)生了稱(chēng)為空位的缺陷，這些缺陷是缺失的原子，這有助于為鋰離子提供更多的來(lái)來(lái)去去的位點(diǎn)，這與目前的容量有關(guān)。

當(dāng)使用最佳脈沖數(shù)時(shí)，電流容量增加了20%，接近10個(gè)脈沖而不是80個(gè)脈沖。

然而，該研究還表明，太多的好事可能是壞事，因?yàn)槭?yáng)極中的太多缺陷會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。

“鋰離子帶正電荷，所以如果它捕獲電子，它就會(huì)變成鋰金屬，你不希望這樣，”納拉揚(yáng)說(shuō)。“鋰金屬?gòu)氖?yáng)極射出微小的線枝晶，并可能引起火災(zāi)。所以你要確保鋰離子不會(huì)變成金屬。

納拉揚(yáng)說(shuō)，制造商在生產(chǎn)陽(yáng)極和陰極(電池中包含的其他電極)時(shí)，應(yīng)該有能力使用納秒脈沖激光退火。

“這些高功率激光器存在，你可以在一微秒內(nèi)處理陽(yáng)極和陰極，”納拉揚(yáng)說(shuō)。“陰極或陽(yáng)極是在片材上制造的，這使得治療相對(duì)快速和容易。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Narayan及其同事最近發(fā)表了另一篇論文，在陰極材料上使用相同的激光技術(shù)。該研究發(fā)表在ACS Applied Materials and Interfaces上，顯示了激光處理增強(qiáng)的陰極材料。

“接下來(lái)，我們正試圖消除使用更昂貴材料的需要，例如電池陰極中的鈷，以制造更高功率和更持久的電池，”納拉揚(yáng)說(shuō)。

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程杰出教授Roger Narayan與第一作者，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)研究生Nayna Khosla共同撰寫(xiě)了這篇論文。來(lái)自橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Xiao-Guang Sun和M. Parans Paranthaman也是該論文的共同作者。

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