CN105977446B - 利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统，包括：飞秒激光器，用于提供飞秒激光脉冲；声光调制器，用于控制飞秒激光器的开关以及飞秒激光脉冲的重复频率；反射镜系统，用于将飞秒激光导入偏振控制器；偏振控制器，用于控制飞秒激光在加工电极表面的偏振态；激光扫描系统，用于控制激光光斑在电极表面形成图案；透镜，用于将飞秒激光脉冲聚焦到电极表面。本发明利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构，可以大幅度提高电极表面积，从而大大增强电极表面和电解液的有效接触，增加离子扩散，使得电池容量增加，充电速度加快，寿命增长，而且大大降低现有高温高真空工艺带来的电池生产成本，提高良品率。

Description

利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统及方法
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统及方法。
背景技术
锂电池因其较高的性价比成为市场应用最为广泛的电池，尤其是在清洁能源，新能源汽车等应用方面。尽管如此，锂电池存在着一些急需改进的缺陷，比如制造成本高，电池寿命短，安全隐患，充电慢等。锂电池问题的核心有两个，首先是由于电极材料、电解液的化学特性使得电解液和电极表面的接触不良，即电极不能完全被电解液打湿，使得接触电阻增加，工艺上需要在高温条件下长时间的真空处理，大大增加了制造成本。这一问题也导致电池合格率降低，电池容量下降，寿命减短等不良后果。
飞秒激光能够在几乎所有不同材料表面形成纳米结构，金属、玻璃、电解质、半导体等。通过设计不同的表面微纳结构，可以改变材料表面的光、电、机械、化学特性，而不改变材料本身的化学成分。
因此，有必要设计一种利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统及方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统及方法，旨在用于解决现有的电池电极与电解液接触不良的问题。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统，其特征在于，包括：飞秒激光器，用于提供飞秒激光脉冲；声光调制器，用于控制飞秒激光器的开关以及飞秒激光脉冲的重复频率；反射镜系统，用于将飞秒激光导入偏振控制器；偏振控制器，用于控制飞秒激光在加工电极表面的偏振态；激光扫描系统，用于控制激光光斑在电极表面形成图案；透镜，用于将飞秒激光脉冲聚焦到电极表面。
进一步地，包括一电脑控制系统，所述飞秒激光器、所述声光调制器、所述偏振控制器、所述激光扫描系统均与所述电脑控制系统信号连接并由所述电脑控制系统控制。
进一步地，所述飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲依次经过所述声光调制器、所述反射镜系统、所述偏振控制器、所述激光扫描系统和所述透镜。
进一步地，所述偏振控制器控制的飞秒激光的偏振态包括线偏振方向和圆偏振态。
进一步地，所述激光扫描系统为二维平面振镜系统。
进一步地，所述透镜为带有自聚焦功能的F-theta透镜。
本发明提供一种利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的方法，其特征在于，采用上述任一项所述的系统，包括以下步骤：
（1）根据薄膜电极的电极层厚度设定飞秒激光器脉冲能量，使得聚焦后脉冲强度达到冷刻蚀强度以上，然后利用飞秒激光脉冲在电极层上刻蚀周期50-100微米网格线；
（2）降低飞秒激光器脉冲能量，使得聚焦后的脉冲强度小于刻蚀强度，通过飞秒激光和电极层表面材料的相互作用，在上述网格状的电极层表面诱导纳米结构。
进一步地，在步骤（2）中先后两次用相互垂直的线性偏振飞秒激光在电极层表面诱导二维纳米光栅。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构，可以大幅度提高电极表面积，从而大大增强电极表面和电解液的有效接触，增加离子扩散，使得电池容量增加，充电速度加快，寿命增长，而且大大降低现有高温高真空工艺带来的电池生产成本，提高良品率；该系统可利用声光调制器调节激光脉冲重复率，利用偏振控制器控制飞秒激光在加工电极表面的偏振态，以及利用激光扫描系统控制激光光斑在电极表面形成图案，从而具有一定的灵活性，可根据需要在电极表面加工出预定的纳米结构。
附图说明
图1为本发明实施例提供的利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统的结构示意图。
附图标记说明：101-飞秒激光器，102-声光调制器，103-反射镜系统，104-偏振控制器，105-激光扫描系统，106-透镜，107-电极层，108-电极导电背板，109-电脑控制系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统，包括飞秒激光器101，声光调制器102，反射镜系统103，偏振控制器104，激光扫描系统105，透镜106，以及电脑控制系统109。图1中的虚线表示的是控制信号，实线代表的是飞秒激光的线路。
所述飞秒激光器101用于提供所需的飞秒激光脉冲，其脉冲能量可以调节；所述声光调制器102用于控制飞秒激光器101的开关以及飞秒激光脉冲的重复频率；所述反射镜系统103用于将飞秒激光导入偏振控制器104；所述偏振控制器104根据加工需要控制飞秒激光在加工电极表面的偏振态，包括线偏振方向和圆偏振态等；所述激光扫描系统105可以按照系统控制要求控制激光光斑在电极表面形成图案，通常选择高速二维平面振镜系统；所述透镜106用于将飞秒激光脉冲聚焦到电极表面，通常选择带有自聚焦功能的大视角F-theta透镜；所述飞秒激光器101、所述声光调制器102、所述偏振控制器104、所述激光扫描系统105均与所述电脑控制系统109信号连接并由所述电脑控制系统109来控制。
如图1所示，锂电池的电极（阴极或阳极）由电极层107和电极导电背板108（铜，铝薄膜）组成。电极层107的厚度从几十到几百微米，而电极导电背板108在几十微米以下，通常在15-20微米。在所述电脑控制系统109的控制下，所述飞秒激光器101发出飞秒激光脉冲，并经过所述声光调制器102调整飞秒激光脉冲的重复频率，所述反射镜系统103将飞秒激光导入所述偏振控制器104，所述偏振控制器104控制飞秒激光的偏振态，飞秒激光接着进入所述激光扫描系统105，所述激光扫描系统105控制激光光斑运动，飞秒激光最终经所述透镜106聚焦到待加工的电极表面，并在电极层107上形成预先设计的二维图案。在同样的激光条件下，可以采用固定的光路，将电极材料放置在二维的平面运动平台上，同样可以在电极层107上形成二维图案，原理是相同的。该系统不限于应用于锂电池的电极，其他薄膜型的电极均可以适用。
采用上述系统加工电池电极表面纳米结构的方法分以下两个步骤完成：
（1）根据薄膜电极的电极层107厚度设定飞秒激光器101脉冲能量，使得聚焦后脉冲强度达到冷刻蚀强度以上，通常在10^14(W/cm^2)左右，能量密度在1-3J/cm^2， 然后利用飞秒激光脉冲在电极层107上刻蚀周期50-100微米网格线；
（2）降低飞秒激光器101脉冲能量，使得聚焦在电极层107表面的脉冲强度小于刻蚀强度，通过飞秒激光和电极层107表面材料的相互作用，利用飞秒激光诱导表面纳米结构的原理在上述网格状的电极层107表面诱导纳米结构，可以先后两次用相互垂直的线性偏振飞秒激光在电极层107表面诱导二维纳米光栅。
通常纳米结构是由激光和材料表面波干涉形成周期性的纳米光栅，光栅的方向和激光的偏振方向垂直。调整这种多尺度的微纳结构能够在不同材料表面形成类似“超亲水”，“超疏水”的表面特性。通过改变飞秒激光脉冲的偏振态，控制飞秒激光强度，形成不同特征的纳米结构，达到改进优化电极和电解介质/电解液的接触。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的方法，其特征在于，采用利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统实现，包括以下步骤：
(1)根据薄膜电极的电极层厚度设定飞秒激光器脉冲能量，使得聚焦后脉冲强度达到冷刻蚀强度以上，然后利用飞秒激光脉冲在电极层上刻蚀周期50-100微米网格线；
(2)降低飞秒激光器脉冲能量，使得聚焦后的脉冲强度小于刻蚀强度，通过飞秒激光和电极层表面材料的相互作用，在上述网格状的电极层表面诱导纳米结构。
2.如权利要求1所述的利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的方法，其特征在于：在步骤(2)中先后两次用相互垂直的线性偏振飞秒激光在电极层表面诱导二维纳米光栅。
3.如权利要求1所述的利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的方法，其特征在于：所述利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统包括：
飞秒激光器，用于提供飞秒激光脉冲；
声光调制器，用于控制飞秒激光器的开关以及飞秒激光脉冲的重复频率；
反射镜系统，用于将飞秒激光导入偏振控制器；
偏振控制器，用于控制飞秒激光在加工电极表面的偏振态；
激光扫描系统，用于控制激光光斑在电极表面形成图案；
透镜，用于将飞秒激光脉冲聚焦到电极表面。
4.如权利要求3所述的利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的方法，其特征在于：所述利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的系统进一步包括一电脑控制系统，所述飞秒激光器、所述声光调制器、所述偏振控制器、所述激光扫描系统均与所述电脑控制系统信号连接并由所述电脑控制系统控制。
5.如权利要求3所述的利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的方法，其特征在于：所述飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲依次经过所述声光调制器、所述反射镜系统、所述偏振控制器、所述激光扫描系统和所述透镜。
6.如权利要求3所述的利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的方法，其特征在于：所述偏振控制器控制的飞秒激光的偏振态包括线偏振方向和圆偏振态。
7.如权利要求3所述的利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的方法，其特征在于：所述激光扫描系统为二维平面振镜系统。
8.如权利要求3所述的利用飞秒激光加工电池电极表面纳米结构的方法，其特征在于：所述透镜为带有自聚焦功能的F-theta透镜。
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