Группа исследователей из Гонконга разработала инновационную технологию лазерной печати, которая ускоряет производство литий-серных аккумуляторов. Новая технология позволяет создавать сложные катодные материалы в одном шаге и за доли секунды, в то время как сейчас этот процесс занимает несколько дней.
Работу возглавил профессор Митч Ли Гуйцзюнь, доцент кафедры интегративных систем и дизайна Гонконгского университета науки и технологий (ГУНТ), результаты исследования его группы опубликованы в ведущем научном журнале Nature Communications.
Литий-серные аккумуляторы рассматриваются как перспективная альтернатива литий-ионным благодаря высокой теоретической плотности энергии, присущей серным катодам. Для эффективного преобразования серы такие катоды, как правило, содержат активные вещества, катализаторы и проводящие компоненты. Однако их изготовление включает множество сложных стадий, каждая из которых требует особых условий, что делает массовое производство длительным и затратным.
Чтобы решить эту проблему, команда профессора Ли разработала одношаговый метод лазерной печати, который позволяет быстро получать интегрированные серные катоды. В ходе процесса лазерное излучение активирует специальные прекурсоры, в результате чего образуются струйные частицы. Они содержат гибридные нанотрубки на основе галлуазита (выполняющего функцию носителя), различные формы серы (в качестве активного компонента) и пористый углерод, полученный из глюкозы (в качестве проводника). Полученная смесь наносится на углеродную ткань, образуя интегрированный серный катод. Такие катоды, изготовленные с помощью лазерной печати, продемонстрировали высокие эксплуатационные характеристики как в монетных, так и в мешочных литий-серных аккумуляторах.
«Традиционное изготовление катодов и анодов в литий-ионных батареях включает синтез активных компонентов, смешивание, приготовление суспензий и сборку электродов. Эти процессы обычно занимают десятки часов или даже дни. Наша технология лазерно-индуцированного преобразования объединяет все эти этапы в один, выполняемый за наносекунды. При использовании одного лазерного луча скорость печати может достигать 2 см² в минуту. Так, катод размером 75 × 45 мм можно напечатать всего за 20 минут, и он сможет питать небольшой экран в течение нескольких часов при использовании в литий-серной ячейке», – рассказал профессор Ли Гуйцзюнь.
«Наши результаты стали возможны благодаря глубокому изучению взаимодействия лазера с материалами. Этот процесс представляет собой сверхконцентрированное тепловое воздействие, при котором материалы быстро нагреваются и охлаждаются – температуры могут достигать тысяч градусов Кельвина. В результате происходит разложение исходных веществ и последующая рекомбинация в новые структуры. Такие условия не только позволяют создавать и объединять разные материалы, но и вызывают микровзрывы, способствующие формированию и перемещению полученных частиц», – заявил в свою очередь соавтор профессора Ли, бывший научный сотрудник ГУНТ доктор Ян Жунлян.
