微结构和缺陷工程改善锂离子电池性能
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一个北卡罗来纳州立大学的一项新研究这项研究是与美国能源部橡树岭国家实验室的电池测试研究人员合作进行的，研究表明，来自高功率激光的极短脉冲可以在锂离子电池材料中造成微小的缺陷，这些缺陷可以提高电池性能。
这项技术被称为纳秒脉冲激光退火，仅持续100纳秒，由现代眼科手术中使用的相同类型的激光产生。研究人员在石墨上测试了这项技术，石墨是一种广泛用于锂离子电池阳极或正极的材料。他们以10个脉冲和80个脉冲的批次测试了这项技术，并比较了电流容量的差异;功率是用电压乘以电流来计算的。
锂离子电池广泛应用于便携式电子设备和电动汽车。随着进一步的改进，这些电池可能会对交通运输产生重大影响，并作为风能和太阳能等可再生能源的存储设备。
他说，这项研究显示了一些有趣的结果Jay Narayan，范家杰材料科学杰出主席他是一篇描述这项工作的论文的通讯作者。纳拉扬在40多年的工作中率先使用激光制造和操纵半导体中的缺陷。
他说:“材料缺陷可能是一件麻烦事，但如果你能正确地设计它们，就能使它们成为一种优势。”“可以说，这项技术为锂离子打开了一扇门，因此它提高了电流容量。石墨阳极由表面的台阶和凹槽组成——创造更多的台阶就像创造更多的锂离子进出的门，这是有益的。
“这项技术还会产生一种叫做空位的缺陷，即缺少原子，这有助于为锂离子提供更多的进出场所，这与当前的容量有关。”
当使用最优脉冲数时，电流容量增加了20%，接近10个脉冲而不是80个脉冲。
不过，这项研究也表明，好事太多也可能是坏事，因为石墨阳极中缺陷太多会导致问题。
纳拉扬说:“锂离子带有正电荷，所以如果它捕获了一个电子，它就变成了锂金属，这是你不想看到的。”“金属锂会从石墨阳极喷出微小的金属丝枝晶，可能会引发火灾。所以你要确保锂离子不会变成金属。”
纳拉扬说，制造商应该有能力在生产阳极和阴极时使用纳秒脉冲激光退火，这是电池中包含的另一种电极。
纳拉扬说:“这些高功率激光器存在，你可以在一微秒内处理阳极和阴极。”“阴极或阳极是在薄片上制成的，这使得处理相对快速和容易。”
纳拉扬和他在德克萨斯大学奥斯汀分校的同事最近发表了另一篇论文，在阴极材料上使用了同样的激光技术。发表在ACS应用材料与界面那项研究展示了激光处理增强阴极材料。
纳拉扬说:“下一步，我们将努力消除使用更昂贵材料的需求，例如电池阴极中的钴，以制造更高功率和更持久的电池。”
这项研究发表在碳．北卡罗来纳州立大学生物医学工程杰出教授Roger Narayan与第一作者、北卡罗来纳州立大学研究生Nayna Khosla共同撰写了这篇论文。来自橡树岭国家实验室的孙晓光和M. Parans Paranthaman也共同撰写了这篇论文。该研究由美国国家科学基金会提供，资助金额为DMR-2016256。ORNL的电池测试研究由美国能源部、科学办公室、基础能源科学办公室、材料科学和工程部门支持，合同编号为DE-AC05-00OR22725。这项工作部分是在北卡罗莱纳州的分析仪器设施进行的。
-kulikowski -
编辑须知本文摘要如下。
脉冲激光退火增强锂离子电池性能的石墨阳极的微观结构和缺陷工程
作者:北卡罗来纳州立大学Nayna Khosla, Jagdish Narayan和Roger Narayan;孙晓光和Mariappan Parans Paranthaman，橡树岭国家实验室
发表: 2023年1月19日碳
DOI: 10.1016 / j.carbon.2023.01.009
摘要:纳秒脉冲激光退火技术显著提高了锂离子电池的循环性能和载流能力。这种改进是通过使用脉冲激光退火(PLA)来增加Li+离子捕获位点的数量密度，以一种可控的方式对石墨中的微观结构和缺陷含量进行工程来实现的。聚乳酸处理引起了以下变化:(1)在晶粒间形成表面台阶和沟槽，提高了Li+离子的充注率和插层率;(2)从石墨颗粒顶部和颗粒之间去除不活跃的聚偏二氟乙烯(PVDF)粘结剂，否则会阻碍Li+的迁移;(3)在(0001)面上产生碳空位，可提供Li+充电点。从x射线衍射数据中，我们发现衍射峰向上移动或平面间距减小，其中空位浓度估计约为1.0%，高于空位的热力学平衡浓度。激光处理产生单个或多个C空位，为Li+离子提供位置，同时也为Li+离子进入插层位置提供台阶和沟槽。据设想，这些位点的形成增强了充电和放电循环中Li+离子的吸收。电流容量从平均360 mAh/g增加到430 mAh/g, C-V显示激光处理后SEI层形成显著减少。如果空位浓度过高，充放电周期长，则可能发生Li+俘获电子，从而形成Li0和镀Li，从而降低电流容量。
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