北卡羅來納州立大學(xué)與美國能源部橡樹嶺國家實驗室的電池測試研究人員合作進行的一項新研究表明，來自高功率激光的極短脈沖會導(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)中使用的相同類型的激光產(chǎn)生。研究人員在石墨上測試了該技術(shù)，石墨是一種廣泛用于鋰離子電池陽極或正極的材料。他們分10個脈沖和80個脈沖分批測試了該技術(shù)，并比較了電流容量的差異;功率是通過將電壓乘以電流來計算的。

鋰離子電池廣泛用于便攜式電子設(shè)備和電動汽車。隨著進一步的改進，這些電池可能會對運輸產(chǎn)生重大影響，并作為風(fēng)能和太陽能等可再生能源的存儲設(shè)備。

該研究顯示出許多有趣的結(jié)果，北卡羅來納州立大學(xué)John C. Fan家族材料科學(xué)杰出Jay Narayan說，他是一篇描述這項工作的論文的通訊作者。納拉揚在四十多年的工作中率先使用激光來制造和操縱半導(dǎo)體中的缺陷。這項工作發(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)計它們，你可以使它們成為優(yōu)勢，”他說。“可以說，這種技術(shù)為鋰離子打開了大門，因此它增強了電流容量。石墨陽極由表面上的臺階和凹槽組成——創(chuàng)造更多的臺階就像為鋰離子進出創(chuàng)造更多的門，這是有益的。

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

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

然而，該研究還表明，太多的好事可能是壞事，因為石墨陽極中的太多缺陷會導(dǎo)致問題。

“鋰離子帶正電荷，所以如果它捕獲電子，它就會變成鋰金屬，你不希望這樣，”納拉揚說。“鋰金屬從石墨陽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變成金屬。

納拉揚說，制造商在生產(chǎn)陽極和陰極(電池中包含的其他電極)時，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)處理陽極和陰極，”納拉揚說。“陰極或陽極是在片材上制造的，這使得治療相對快速和容易。

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的陰極材料。

“接下來，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，”納拉揚說。

北卡羅來納州立大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程杰出教授Roger Narayan與第一作者，北卡羅來納州立大學(xué)研究生Nayna Khosla共同撰寫了這篇論文。來自橡樹嶺國家實驗室的Xiao-Guang Sun和M. Parans Paranthaman也是該論文的共同作者。

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