盖世汽车讯 据外媒报道，美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员与柯锐世（Clarios）、Amplitude Laser Group和Liminal Insights的专家在最近一项电池制造项目BatMan中开发出新型激光图案化工艺，可改变电池电极材料的微观结构。这一革命性的制造工艺可能会对电气化交通带来重大改进，使充电迈向更光明和更可持续的未来。
                       
                                                            图片来源：NREL
       电极的材料组成、厚度和结构设计会影响电池容量、电压和充电速度。例如，将电极厚度从50μm增加到100μm，电池的能量密度会增加约16%。然而，厚度增加后，要在不造成锂镀层长期损坏的情况下快速给电池充电变得更加困难，从而缩短了电池的使用寿命。
       加厚电池电极也给电池制造商带来了新的难题。在组装电池后，制造商向电池中注入液体电解质，以促进离子在电极间的流动，即浸润过程。浸润不足会阻碍离子传输，导致充电和放电速率减慢、能量密度降低和电池效率下降。然而，浸润过程成本高昂且耗时，而且较厚电极的表面积更大，可能会增加该过程的复杂性。
       NREL之前的研究揭示了孔隙网络是如何改善电池性能的。这些微小的孔隙形成了增加离子扩散的通道，使离子在充放电过程中更快地移动，而不会损坏电池。作为一种制造优势，这些孔隙还能在浸润过程中加快电解质的饱和。
       为了评估不同的孔隙通道形状、深度和分布，研究人员求助于NREL的锂离子电池二次孔隙网络设计优化分析扩散模型（NREL’s Lithium-Ion Battery Secondary Pore Network Design Optimization Analytical Diffusion Model）。BatMan团队的遗传算法还考虑了激光（用于制造孔隙）的特定硬件限制。这些先进的模型帮助确定了最佳的孔隙排列方式：激光烧蚀孔的六边形图案，深度为电极涂层厚度的50%。研究还发现，与非结构化电极相比，在电极宽度上添加直槽可以改善电极浸润性。
       在确定了目标孔隙网络后，BatMan团队开始对激光图案化电极进行小规模原型设计和表征。研究人员使用Amplitude Laser Group的飞秒激光系统和高速振镜控制扫描光学系统进行激光烧蚀，并与Amplitude团队密切合作，根据位置、功率、频率和脉冲数实现对激光的精确控制。
       NREL研究人员应用了各种先进的表征工具来评估激光烧蚀电极的性能。首先，研究人员应用X射线纳米计算机断层扫描和扫描电子显微镜来分析电极结构的形态特征，并验证电池的增强效果。接下来，NREL的多物理模型说明了结构均匀性的提高是如何降低快速充电过程中镀锂的风险。最后，BatMan团队组装了小型电池，以评估优化电极结构的实际效果。激光烧蚀电池的电化学分析显示出优异的快速充电性能，800次循环后电池容量提高了近100%。
       经过多次激光烧蚀、表征和调整后，现在是扩大工艺规模进行高产能演示的时候了。大多数电池生产设施使用的是基于辊筒的连续加工生产线，即卷对卷生产线，将活性材料混合物粘合到金属箔表面上。研究人员使用NREL的卷对卷生产线来演示和降低这种新工艺的兼容性风险，以鼓励电池制造商采用这种工艺。
       NREL将优化的电极材料返还给BatMan的制造合作伙伴柯锐世，然后专家们组装具有商业价值的27 Ah电池，以供进一步评估。使用Liminal Insights的EchoStat声学成像技术进行的早期检测表明，激光烧蚀电极的浸润速度比基线电池更快、更均匀。在这项技术推出市场之前，专家们还将进行额外的无损诊断，以验证预期的性能优化，并确保电池的安全性和质量。
       对激光图案化工艺的技术经济分析估计，电池制造的最低附加成本低于1.5美元/kWh，即不到总成本的2%，而其性能优势是毋庸置疑的。NREL的研究人员还发现，在激光烧蚀过程中收集的石墨碎片可以直接重复使用，以制造新的电池，而不会对电池的性能产生任何重大影响，这也可能进一步降低激光烧蚀电极的成本。
       NREL储能小组高级科学家和项目联合负责人Donal Finegan表示：“我们的实验表明，激光烧蚀电极可以使电动汽车的充电速率翻倍。这是一项可以改变传统制造工艺的技术进步，不仅适用于锂离子电池，也适用于下一代电池化学材料。”

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