研究发现：微观结构和缺陷工程提高了锂离子电池的性能

北卡罗来纳州立大学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一项新研究表明，来自高功率激光的极短脉冲会导致锂离子电池材料的微小缺陷 - 可以提高电池性能的缺陷。

该技术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该技术，石墨是一种广泛用于锂离子电池阳极或正极的材料。他们分10个脉冲和80个脉冲分批测试了该技术，并比较了电流容量的差异;功率是通过将电压乘以电流来计算的。

锂离子电池广泛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。

该研究显示出许多有趣的结果，北卡罗来纳州立大学John C. Fan家族材料科学杰出主席Jay Narayan说，他是一篇描述这项工作的论文的通讯作者。纳拉扬在四十多年的工作中率先使用激光来制造和操纵半导体中的缺陷。这项工作发表在《碳》杂志上。

“材料缺陷可能令人讨厌，但如果你正确地设计它们，你可以使它们成为优势，”他说。“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。

“该技术还产生了称为空位的缺陷，这些缺陷是缺失的原子，这有助于为锂离子提供更多的来来去去的位点，这与目前的容量有关。

当使用最佳脉冲数时，电流容量增加了20%，接近10个脉冲而不是80个脉冲。

然而，该研究还表明，太多的好事可能是坏事，因为石墨阳极中的太多缺陷会导致问题。

“锂离子带正电荷，所以如果它捕获电子，它就会变成锂金属，你不希望这样，”纳拉扬说。“锂金属从石墨阳极射出微小的线枝晶，并可能引起火灾。所以你要确保锂离子不会变成金属。

纳拉扬说，制造商在生产阳极和阴极（电池中包含的其他电极）时，应该有能力使用纳秒脉冲激光退火。

“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，”纳拉扬说。“阴极或阳极是在片材上制造的，这使得治疗相对快速和容易。

德克萨斯大学奥斯汀分校的Narayan及其同事最近发表了另一篇论文，在阴极材料上使用相同的激光技术。该研究发表在ACS Applied Materials and Interfaces上，显示了激光处理增强的阴极材料。

“接下来，我们正试图消除使用更昂贵材料的需要，例如电池阴极中的钴，以制造更高功率和更持久的电池，”纳拉扬说。

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Xiao-Guang Sun和M. Parans Paranthaman也是该论文的共同作者。