Ожидается, что литий-серные аккумуляторы заменят существующие литий-ионные батареи из-за высокой теоретической плотности энергии серных катодов. Чтобы обеспечить быструю конверсию соединений серы, эти катоды обычно состоят из активных материалов, основных материалов (или катализаторов) и проводящих материалов. Однако изготовление основных материалов и подготовка серных катодов часто сопряжены со сложными, многоступенчатыми и трудоемкими процессами, требующими различных температур и условий, что вызывает опасения по поводу эффективности и стоимости промышленного производства.

Чтобы преодолеть эти трудности, проф. Команда Ли разработала новую технологию одноступенчатой лазерной печати для быстрого изготовления встроенных серных катодов. Во время этого высокопроизводительного процесса лазерного импульсного облучения донор-предшественник активируется, образуя струящиеся частицы, которые включают синтезированные на месте гибридные нанотрубки на основе галлуазита (основной материал), частицы серы (активный материал) и пористый углерод, полученный из глюкозы (проводящий компонент). Смесь наносится на акцептор из углеродной ткани, образуя встроенный серный катод. Примечательно, что серные катоды с лазерной печатью демонстрируют выдающиеся эксплуатационные характеристики как в литий-серных элементах для монет, так и в мешочках.

"Традиционные процессы изготовления катода/анода в ионной батарее обычно включают синтез активных материалов (иногда в сочетании с основным материалом/катализатором), приготовление суспензии смеси и сборку катода/анода. Профессор. Ли объяснил: "Эти этапы обычно выполняются раздельно при разных температурах и условиях, потому что материалы ведут себя по-разному. В результате весь процесс может занять десятки часов или даже несколько дней".

Профессор. Ли сказал: "Наша недавно разработанная технология лазерно-индуцированного преобразования предлагает способ объединить эти процессы в один этап с наносекундной скоростью. Скорость печати может достигать около 2 см2/минуту при использовании только однолучевого лазера. Серный катод размером 75 × 45 мм2 может быть напечатан в течение 20 минут и обеспечивать питание небольшого экрана в течение нескольких часов, если он собран в литий-серный мешочный элемент."

Доктор ЯН Ронгля, первый автор этой работы и бывший научный сотрудник HKUST, добавил: "Эти интригующие результаты получены в результате нашего исследования взаимодействия лазера и материала. Процесс индуцированного лазером преобразования можно охарактеризовать как ультраконцентрированное тепловое явление. Облученные материалы подвергаются сложному переходному процессу нагрева и охлаждения, при этом теоретические переходные температуры достигают тысяч градусов Кельвина. Исходные материалы разлагаются, и разложившиеся частицы рекомбинируют с образованием новых материалов. Этот ультраконцентрированный термический процесс не только позволяет формировать и комбинировать материалы различной природы, но и приводит к сопутствующим микровзрывам, которые облегчают выброс струей и перенос формирующихся частиц."

Примечание: Д-р ЯН Ронгля, бывший аспирант отдела интегративных систем и дизайна в HKUST, является первым автором, а проф. Митч ЛИ Гуйцзюнь из HKUST является автором-корреспондентом. Исследование также получило существенную поддержку от проф. ТАН Айдонг из Центрального Южного университета Китая и Китайского университета наук о земле, а также старший инженер ЛИ Тяньбао и старший инженер ТУ Фейюэ из Чаншанского научно-исследовательского института горного дела и металлургии Co. LTD. Исследование финансируется Комиссией по инновационным технологиям Гонконга (ITC) в рамках проекта под номером MHP/060/21.