Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Mitch LI Guijun, Assistenzprofessor in der Abteilung für Integrative Systeme und Design an der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), hat ein neues Laserdruckverfahren in einem einzigen Schritt entwickelt, um die Herstellung von Lithium-Schwefel-Batterien zu beschleunigen. Dieses Verfahren, das die üblicherweise zeitaufwändige Synthese aktiver Materialien und die Vorbereitung der Kathode in einen laserinduzierten Umwandlungsprozess im Nanosekundenbereich integriert, soll die künftige industrielle Produktion von druckbaren elektrochemischen Energiespeichern verändern.
Es wird erwartet, dass Lithium-Schwefel-Batterien aufgrund der hohen theoretischen Energiedichte von Schwefelkathoden die bestehenden Lithium-Ionen-Batterien ablösen werden. Um die rasche Umwandlung von Schwefelspezies zu gewährleisten, bestehen diese Kathoden in der Regel aus aktiven Materialien, Wirtsmaterialien (oder Katalysatoren) und leitenden Materialien. Die Herstellung von Wirtsmaterialien und die Vorbereitung von Schwefelkathoden sind jedoch oft komplizierte, mehrstufige und arbeitsintensive Prozesse, die unterschiedliche Temperaturen und Bedingungen erfordern, was zu Bedenken hinsichtlich der Effizienz und der Kosten in der industriellen Produktion führt.
Schwefelkathoden mit Laserdruck herstellen
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelte das Team von Prof. Li ein neuartiges einstufiges Laserdruckverfahren für die schnelle Herstellung von integrierten Schwefelkathoden. Während dieses Hochdurchsatz-Laserpuls-Bestrahlungsverfahrens wird der Vorläufer-Donor aktiviert, wodurch Strahlpartikel entstehen, die vor Ort synthetisierte Hybrid-Nanoröhren auf Halloysit-Basis (Wirtsmaterial), Schwefelspezies (aktives Material) und aus Glukose gewonnenen porösen Kohlenstoff (leitfähige Komponente) enthalten. Die Mischung wird auf ein Kohlenstoffgewebe gedruckt, wodurch eine integrierte Schwefelkathode entsteht. Die lasergedruckten Schwefelkathoden zeigen sowohl in Münz- als auch in Pouch-Lithium-Schwefel-Zellen eine hervorragende Leistung.
Herkömmliche Herstellungsverfahren für eine Kathode/Anode in Ionenbatterien umfassen in der Regel die Synthese aktiver Materialien (manchmal in Kombination mit Wirtsmaterial/Katalysator), die Herstellung einer Mischungsaufschlämmung und den Zusammenbau von Kathode/Anode. Prof. Li erklärte: „Diese Schritte werden in der Regel getrennt bei unterschiedlichen Temperaturen und Bedingungen durchgeführt, da sich die Materialien unterschiedlich verhalten. Daher kann der gesamte Prozess mehrere Dutzend Stunden oder sogar mehrere Tage dauern.“
Prof. Li sagte: „Unsere neu entwickelte laserinduzierte Umwandlungstechnologie bietet eine Möglichkeit, diese Prozesse in einem einzigen Schritt mit Nanosekunden-Geschwindigkeit zu kombinieren. Die Druckgeschwindigkeit kann mit einem einzigen Laserstrahl etwa 2 cm2/Minute erreichen. Eine 75 × 45 mm2 große Schwefelkathode kann innerhalb von 20 Minuten gedruckt werden und mehrere Stunden lang Strom für einen kleinen Bildschirm liefern, wenn sie zu einer Lithium-Schwefel-Beutelzelle zusammengesetzt wird.“
Wechselwirkung zwischen Laser und Material
Dr. Yang Rongliang, der Erstautor dieser Arbeit und ehemaliger Postdoktorand an der HKUST, fügte hinzu: „Diese faszinierenden Ergebnisse stammen aus unserer Studie über die Wechselwirkung zwischen Laser und Material. Der laserinduzierte Umwandlungsprozess kann als ein ultrakonzentriertes thermisches Phänomen charakterisiert werden. Die bestrahlten Materialien durchlaufen einen komplexen transienten Erwärmungs- und Abkühlungsprozess, wobei die theoretischen transienten Temperaturen bis zu Tausenden von Grad Kelvin erreichen. Die Vorläufermaterialien zersetzen sich, und die zersetzten Teilchen rekombinieren und bilden neue Materialien. Dieser hochkonzentrierte thermische Prozess ermöglicht nicht nur die Bildung und Kombination von Materialien unterschiedlicher Beschaffenheit, sondern treibt auch die begleitenden Mikroexplosionen an, die das Ausstoßen und den Transfer der sich bildenden Teilchen erleichtern.“
