基于飞秒激光的锂电池集流体铜箔表面微纳跨尺度复合结构制造及其性能研究

Development of lithium ion batteries (LIBs) promote the spread of electric vehicles (EVs) over the world，but requirement for high-rate performance LIBs limits EVs to go further. When the present LIBs are charged and discharged with high current densities to shorten the charging time and to accelerate the EVs in shorter time, respectively, the charging and discharging capacities largely drop, and the rechargeable performance is seriously damaged. Copper foil woks as the negative collector and has great influence on LIBs performance. Laser ablating surface micro-structures on copper foil surface could enhance the cycle life, but the way for metallic oxide nanoparticles deposition is usually the electrochemical deposition to improve the conductivity of electrodes. This project innovatively proposed a way assembling two methods of femtosecond laser ablation （LA）and laser induced nano-connection（LINC） to realize the manufacturing of micro-nano cross-scale composite structures on the surface. LA to fabricate micro-structures and LINC to achieve CuO nano-structures both are used with high expectations that the micro-nano cross-scale composite structures could further improve the bonding strength and the conductivity of the negative electrode. This project hopes to help realize the development and manufacturing of high-rate performance LIBs with the help of laser surface structure fabrication.

锂离子电池的发展推动了全球电动汽车的发展，然而对高性能电池的需求却限制了电动汽车进一步发展。高电流密度的充放电可以大幅降低充电时间并提高车辆的动力性能，但却会大幅降低充放电容量和充电性能。作为电池负极集流体，铜箔的性能对电池性能有很大的影响。在铜箔的表面，激光制造表面微结构可以保持容量并增强循环寿命，然而提高电极导电性能的氧化物纳米颗粒沉积通常采用电化学沉积法来完成。本项目创新地提出采用飞秒激光集合激光烧蚀和激光诱导纳米连接的两种方法，实现铜箔表面微纳跨尺度复合结构的制造。激光烧蚀完成的微米结构，并利用激光诱导连接技术实现CuO纳米结构表面覆盖，望通过微纳复合结构表面进一步提高结合强度和增强负极的传导性能。最后通过电池性能测试探明结构特征与性能的内在联系。本项目望借助激光表面结构制造技术帮助实现高性能锂离子电池的开发与制造。

项目研究重点关注激光诱导银纳米线连接的机制，并展了激光诱导银纳米线的制备，在实施过程中发现氧化铜纳米线与铜箔表面的连接制造出“微米+纳米”多层复合结构，对电池电学与力学的综合性能提升效果研究发现，微结构性能提升更为显著项目，采用各种不同“微结构”的铜箔表面试验，分析不同尺度下表面特征的电学性能提升规律。研究发现采用带激光处理铜箔作电池负极集流体可以有效改善综合性能并部分解决集流体失效问题。将激光打孔铜箔电池和未打孔铜箔电池的性能进行了对比。使用120um间距的激光孔群电池与未进行激光织构的铜箔电池进行各项性能的对比。通过充放电曲线、倍率性能对比图和循环性能对比图综合分析了激光加工激光孔群铜箔电池的性能和无激光孔群铜箔性能的差异。从结果可以看出，不管是在第一圈还是第五圈的充放电过程中，120um间距形电池放电比容量都比光箔大约30mAh/g。研究结果表明激光加工激光孔群铜箔电池的性能明显优于未打孔铜箔电池，锂离子电池实现了 150 次循环后容量不低于 90％。发表期刊论文2篇，审稿论文 2篇，授权中国发明专利1篇，申请中专利3篇，出版学术专著1部，中国标准1项，软件著作权1项，，中国“红光奖”---激光科技创新杰出贡献奖1项。突破集流体铜箔表面激光工业化制造关键技术，提高现有商用体系下锂离子电池实际使用性能。