由香港科技大学综合系统与设计学部助理教授李桂君领导的研究团队，成功开发出一种创新性的单步激光打印技术，可显著提升锂硫电池的制造效率。该技术通过纳秒级激光诱导转印工艺，将传统制造中耗时冗长的活性材料合成与正极制备步骤整合为一步完成，为可打印电化学储能器件的工业化生产开辟了全新路径。目前，相关研究成果*已发表于国际顶级期刊《自然通讯Nature Communications》。

以下内容转载自：香港科技大学快讯

研究团队成员包括：担任通讯作者的助理教授李桂君（前排左一）、担任第一作者的港科大前博士后研究员杨荣亮博士，及港科大学生。

锂硫电池因其硫正极的高理论能量密度，有望取代现有的商用锂离子电池。为保证硫化物的快速转化，这些正极通常由活性材料、宿主材料（或催化剂）和导电材料组成。然而，宿主材料的制备和硫正极的组装往往涉及复杂、多步骤且高耗时的过程，需要在不同温度和条件下进行，这将引起工业量产中效率和成本方面的忧虑。

为了应对这些挑战，研究团队开发了一种创新的单步激光打印技术，用于快速制造集成化硫正极。在高通量激光脉冲辐照过程中，前驱体材料被激活，产生颗粒射流，其中包括原位合成的埃洛石基杂化纳米管（宿主材料）、硫化物（活性材料）和葡萄糖衍生的多孔碳（导电组分）。这些混合物被打印到碳纤维衬底上，形成集成化硫正极。值得注意的是，激光打印的硫正极在纽扣式和软包式锂硫电池中均表现出卓越的电化学性能。

（a）单步激光打印过程的示意图和（b）打印过程中激光诱导转化的示意图。

李桂君教授表示：“传统离子电池的正极/负极制造过程通常包括活性材料的合成（有些情况下需要与宿主材料/催化剂复合）、复合浆料的制备以及正极/负极的组装。由于不同材料具有差异较大的物理特性，这些步骤通常需要在不同温度和条件下单独进行。因此，整个过程可能需要耗费数十小时甚至数天。”

因此，团队另辟蹊径提出了全新的解决方案。李教授补充道：“我们新开发的激光诱导转印技术可将这些过程整合为一步，且物质转化速度可达到纳秒级。仅使用单束激光，打印速度就可达约2平方厘米每分钟。一个75×45平方毫米的硫正极可在20分钟内打印完成，并在组装成锂硫软包电池后，为小型屏幕供电数小时。”

该论文的第一作者、港科大前博士后研究员杨荣亮博士说：“我们从激光-材料相互作用的研究中发现了这一令人振奋的结果。激光诱导转化过程可被描述为一种超浓缩的热反应过程。辐照材料会经历复杂的瞬态加热和冷却过程，理论瞬态温度可达数千开尔文。此过程中，前驱体材料分解后，分解的颗粒重新结合形成新材料。这种超浓缩的热过程不仅能够实现不同性质材料的形成与结合，还伴随微爆炸现象，为形成颗粒的喷射和转移提供了动力。”

*注：科大综合系统与设计学部的前博士后研究员杨荣亮博士为本文第一作者，科大的李桂君教授为通讯作者。该研究还得到了中南大学唐爱东教授以及长沙矿冶研究院有限责任公司高级工程师黎天保和涂飞跃的支持。该研究获香港创新科技署资助（项目编号MHP/060/21）。