【Applied Energy 最新原创论文】飞秒激光高质量切割锥度可调的高性能电池电极:促进绿色制造与绿色化学

学术   2024-10-24 18:31   美国  

原文信息:

High-quality femtosecond laser cutting of battery electrodes with enhanced electrochemical performance by regulating the taper angle: Promoting green manufacturing and chemistry

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030626192401835X

Highlights

• 首次利用飞秒激光加工技术设计和制造了具有不同锥度结构的钛酸锂电极

 激光辐照诱导电极中部分Ti4+被还原为Ti3+并产生了氧空位,有助于提升电极导电能力

 激光精细可控加工的锥度结构能够显著改善电解液渗透和加快锂离子扩散动力学过程

 半电池和全电池测试表明,当锥度角为0.04时,钛酸锂电极展示出最佳的电化学性能

摘要

当前,切割具有可调切口形状和精确尺寸控制的高质量高性能电极,仍然是锂离子电池等电化学储能器件制造领域的难题之一。激光切割电极具有能耗低、温室气体排放少、废料产生率小、无刀具磨损、操作灵活可控和便于多尺度加工等优势,正逐步受到大量关注和研究,有望实现电极切口形状和尺寸的精确调控。为此,本文采用飞秒激光技术对锂离子电池Li4Ti5O12 (LTO)电极进行精密切割研究。通过系统有效优化激光切割加工工艺,制备了一系列具有不同切口锥度结构的电极样品,全面分析了锥度结构对LTO电极结构与性能的影响。结果表明,激光与LTO电极材料作用时的光致电离和等离子体效应诱导部分Ti4+被还原为Ti3+,并产生了氧空位和Ti3+/Ti4+缺陷,从而提升了电极的导电能力。同时,合适的锥度结果能够显著促进电解液的渗透和锂离子的扩散过程。当锥度角为0.004时,LTO电极表现出最佳的电化学性能。在1 C倍率下循环400周后,容量保持率超过99.2%。在60 C高倍率下的比容量可达60 mA h g-1,是传统机械切割LTO电极的1.7倍。此外,其与LiFePO4电极组成的全电池LiFePO4||Li4Ti5O12也展现出了优异的电化学性能。本文工作为激光加工技术在电极切割领域的发展和应用提供了一定参考。

更多关于“电极切割”的研究详见:

https://www.sciencedirect.com/search?pub=Applied%20Energy&cid=271429&qs=Cutting%20electrode

Abstract

Laser cutting electrode technology is an environmentally friendly and sustainable manufacturing method that offers many benefits, such as low energy consumption and greenhouse gases, no waste production, no tool wear, flexible manipulation, and multi-scale processing. However, achieving high cutting quality with adjustable notch shape and controllable dimension precision is still a cutting-edge challenge. In addition, the influence of laser cutting on the microscopic structure and electrochemical performance of battery electrodes has not been fully illustrated. Here, the Li4Ti5O12 (LTO) electrode is cut using a femtosecond laser technology. The processing parameters are systematically optimized, and the influence of laser cutting taper structure on the structure and performance of LTO electrodes is comprehensively investigated. It is found that laser photoionization and the generated plasma could create oxygen vacancies and thus more Ti3+/Ti4+ defects in the LTO electrodes, resulting in increased electronic conductivity. Moreover, proper taper structure could help improve electrolyte infiltration as well as Li+ diffusion kinetics. As a result, the laser cutting LTO electrode with the optimized taper angle of T = 0.004 shows excellent electrochemical performance. The capacity retention is more than 99.2% after 400 cycles at 1 C, and the specific capacity reaches ~60 mAh g−1 at a high rate of 60 C, which is about 1.7 times higher than that of mechanically cutting LTO electrodes. The outstanding electrochemical performance is also demonstrated by LiFePO4||Li4Ti5O12 full cells. This work could pave the way for the development and application of laser technology in cutting battery electrodes.


Keywords

Femtosecond laser

Cutting electrode

Lithium battery

Full cell

Electrochemical performance

Graphics

图1 激光切割加工系统示意图(a)及不同波长下铜箔和LTO电极的反射率比较(b)


图2 激光单脉冲能量(a)和激光功率(b)对LTO电极切割的影响;不同离焦量和重复扫描次数对LTO电极锥度角的影响(c);单脉冲能量(d)、激光功率(e)和扫描次数(f)对电极切割时材料利用率的影响


图3 (a)切割锥度角T = 0.004的切割电极的SEM图像;(b)T = 0.004的切割电极的激光共聚焦显微CLSM图像;(c)不同样品的XRD图;(d)不同样品的XRD(111)衍射峰放大图;(e)不同样品的拉曼光谱;(f-i)不同样品的拉曼光谱(900 – 2000 cm−1);(j)不同激光切割位置的拉曼光谱


图4 不同样品的XPS谱图


图5 不同锥度角和机械切割MC电极的电化学性能:(a)循环性能;(b)倍率性能;(c-e)恒流充放电曲线;(f)电化学阻抗谱EIS曲线;(g)循环伏安CV曲线;(h)电化学滴定GITT曲线与Li+扩散系数;(i-j)与其他已报道LTO电极的性能对比


图6 (a)电解液吸收测试设备;(b)电解液爬升高度及(c)不同电极样品电解液的吸收情况;(d-g)不同电极的润湿性测试;(h)激光切割电极的kirigami图案及其可拉伸性;(j)拉伸次数与电极内阻的变化规律


图7 LFP||LTO全电池的电化学性能:(a)全电池的组成及工作原理示意图;(b-c)不同全电池在不同倍率下的恒流充放电曲线;(d)不同全电池在1C倍率下的容量保持率;(e)不同全电池的循环性能


团队介绍

本研究由西安交通大学机械工程学院、西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室、陕西省智能机器人重点实验室的研究人员共同完成。

通信作者简介:

孙孝飞,西安交通大学教授、博士生导师。长期从事先进储能材料与器件及其智能制造研究。在Advanced Functional Materials、Journal of Energy Chemistry、Energy & Environmental Materials等国际期刊发表SCI论文70余篇,编写教材和专著3部,获中国授权发明专利30余项、计算机软件著作权6项。

梅雪松,西安交通大学教授、博士生导师,长江学者特聘教授,教育部创新团队负责人。长期从事激光精密加工、数控技术、智能工厂和工业机器人等方面的研究。在Advanced Materials、International Journal of Extreme Manufacturing、IEEE Transactions on Industrial Informatics等期刊发表论文500余篇,主编教材和专著5部,获国内外发明专利200余项、计算机软件著作权50项。


关于Applied Energy

本期小编:蔡吉祥;审核人:朱莲峰

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