利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括：飛秒激光器，用于提供飛秒激光脈沖；聲光調(diào)制器，用于控制飛秒激光器的開關(guān)以及飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率；反射鏡系統(tǒng)，用于將飛秒激光導(dǎo)入偏振控制器；偏振控制器，用于控制飛秒激光在加工電極表面的偏振態(tài)；激光掃描系統(tǒng)，用于控制激光光斑在電極表面形成圖案；透鏡，用于將飛秒激光脈沖聚焦到電極表面。本發(fā)明利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)，可以大幅度提高電極表面積，從而大大增強(qiáng)電極表面和電解液的有效接觸，增加離子擴(kuò)散，使得電池容量增加，充電速度加快，壽命增長，而且大大降低現(xiàn)有高溫高真空工藝帶來的電池生產(chǎn)成本，提高良品率。
【專利說明】
利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及電池領(lǐng)域，尤其涉及一種利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰電池因其較高的性價(jià)比成為市場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的電池，尤其是在清潔能源，新能源汽車等應(yīng)用方面。盡管如此，鋰電池存在著一些急需改進(jìn)的缺陷，比如制造成本高，電池壽命短，安全隱患，充電慢等。鋰電池問題的核心有兩個(gè)，首先是由于電極材料、電解液的化學(xué)特性使得電解液和電極表面的接觸不良，即電極不能完全被電解液打濕，使得接觸電阻增加，工藝上需要在高溫條件下長時(shí)間的真空處理，大大增加了制造成本。這一問題也導(dǎo)致電池合格率降低，電池容量下降，壽命減短等不良后果。
[0003]飛秒激光能夠在幾乎所有不同材料表面形成納米結(jié)構(gòu)，金屬、玻璃、電解質(zhì)、半導(dǎo)體等。通過設(shè)計(jì)不同的表面微納結(jié)構(gòu)，可以改變材料表面的光、電、機(jī)械、化學(xué)特性，而不改變材料本身的化學(xué)成分。
[0004]因此，有必要設(shè)計(jì)一種利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法，以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法，旨在用于解決現(xiàn)有的電池電極與電解液接觸不良的問題。
[0006]
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明提供一種利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，包括:飛秒激光器，用于提供飛秒激光脈沖;聲光調(diào)制器，用于控制飛秒激光器的開關(guān)以及飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率;反射鏡系統(tǒng)，用于將飛秒激光導(dǎo)入偏振控制器;偏振控制器，用于控制飛秒激光在加工電極表面的偏振態(tài);激光掃描系統(tǒng)，用于控制激光光斑在電極表面形成圖案;透鏡，用于將飛秒激光脈沖聚焦到電極表面。
[0007]進(jìn)一步地，包括一電腦控制系統(tǒng)，所述飛秒激光器、所述聲光調(diào)制器、所述偏振控制器、所述激光掃描系統(tǒng)均與所述電腦控制系統(tǒng)信號(hào)連接并由所述電腦控制系統(tǒng)控制。
[0008]進(jìn)一步地，所述飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖依次經(jīng)過所述聲光調(diào)制器、所述反射鏡系統(tǒng)、所述偏振控制器、所述激光掃描系統(tǒng)和所述透鏡。
[0009]進(jìn)一步地，所述偏振控制器控制的飛秒激光的偏振態(tài)包括線偏振方向和圓偏振
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[0010]進(jìn)一步地，所述激光掃描系統(tǒng)為二維平面振鏡系統(tǒng)。
[0011 ]進(jìn)一步地，所述透鏡為帶有自聚焦功能的F-theta透鏡。
[0012]本發(fā)明提供一種利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，采用上述任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，包括以下步驟:
(1)根據(jù)薄膜電極的電極層厚度設(shè)定飛秒激光器脈沖能量，使得聚焦后脈沖強(qiáng)度達(dá)到冷刻蝕強(qiáng)度以上，然后利用飛秒激光脈沖在電極層上刻蝕周期50-100微米網(wǎng)格線；
(2)降低飛秒激光器脈沖能量，使得聚焦后的脈沖強(qiáng)度小于刻蝕強(qiáng)度，通過飛秒激光和電極層表面材料的相互作用，在上述網(wǎng)格狀的電極層表面誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)。
[0013]進(jìn)一步地，在步驟(2)中先后兩次用相互垂直的線性偏振飛秒激光在電極層表面誘導(dǎo)二維納米光柵。
[0014]本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)，可以大幅度提高電極表面積，從而大大增強(qiáng)電極表面和電解液的有效接觸，增加離子擴(kuò)散，使得電池容量增加，充電速度加快，壽命增長，而且大大降低現(xiàn)有高溫高真空工藝帶來的電池生產(chǎn)成本，提高良品率;該系統(tǒng)可利用聲光調(diào)制器調(diào)節(jié)激光脈沖重復(fù)率，利用偏振控制器控制飛秒激光在加工電極表面的偏振態(tài)，以及利用激光掃描系統(tǒng)控制激光光斑在電極表面形成圖案，從而具有一定的靈活性，可根據(jù)需要在電極表面加工出預(yù)定的納米結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]附圖標(biāo)記說明:101-飛秒激光器，102-聲光調(diào)制器，103-反射鏡系統(tǒng)，104-偏振控制器，105-激光掃描系統(tǒng)，106-透鏡，107-電極層，108-電極導(dǎo)電背板，109-電腦控制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括飛秒激光器101，聲光調(diào)制器102，反射鏡系統(tǒng)103，偏振控制器104，激光掃描系統(tǒng)105，透鏡106，以及電腦控制系統(tǒng)109。圖1中的虛線表示的是控制信號(hào)，實(shí)線代表的是飛秒激光的線路。
[0019]所述飛秒激光器101用于提供所需的飛秒激光脈沖，其脈沖能量可以調(diào)節(jié);所述聲光調(diào)制器102用于控制飛秒激光器101的開關(guān)以及飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率;所述反射鏡系統(tǒng)103用于將飛秒激光導(dǎo)入偏振控制器104;所述偏振控制器104根據(jù)加工需要控制飛秒激光在加工電極表面的偏振態(tài)，包括線偏振方向和圓偏振態(tài)等;所述激光掃描系統(tǒng)105可以按照系統(tǒng)控制要求控制激光光斑在電極表面形成圖案，通常選擇高速二維平面振鏡系統(tǒng);所述透鏡106用于將飛秒激光脈沖聚焦到電極表面，通常選擇帶有自聚焦功能的大視角F-theta透鏡;所述飛秒激光器101、所述聲光調(diào)制器102、所述偏振控制器104、所述激光掃描系統(tǒng)105均與所述電腦控制系統(tǒng)109信號(hào)連接并由所述電腦控制系統(tǒng)109來控制。
[0020]如圖1所示，鋰電池的電極(陰極或陽極)由電極層107和電極導(dǎo)電背板108(銅，鋁薄膜)組成。電極層107的厚度從幾十到幾百微米，而電極導(dǎo)電背板108在幾十微米以下，通常在15-20微米。在所述電腦控制系統(tǒng)109的控制下，所述飛秒激光器101發(fā)出飛秒激光脈沖，并經(jīng)過所述聲光調(diào)制器102調(diào)整飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率，所述反射鏡系統(tǒng)103將飛秒激光導(dǎo)入所述偏振控制器104，所述偏振控制器104控制飛秒激光的偏振態(tài)，飛秒激光接著進(jìn)入所述激光掃描系統(tǒng)105，所述激光掃描系統(tǒng)105控制激光光斑運(yùn)動(dòng)，飛秒激光最終經(jīng)所述透鏡106聚焦到待加工的電極表面，并在電極層107上形成預(yù)先設(shè)計(jì)的二維圖案。在同樣的激光條件下，可以采用固定的光路，將電極材料放置在二維的平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，同樣可以在電極層107上形成二維圖案，原理是相同的。該系統(tǒng)不限于應(yīng)用于鋰電池的電極，其他薄膜型的電極均可以適用。
[0021]采用上述系統(tǒng)加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的方法分以下兩個(gè)步驟完成:
(1)根據(jù)薄膜電極的電極層107厚度設(shè)定飛秒激光器101脈沖能量，使得聚焦后脈沖強(qiáng)度達(dá)到冷刻蝕強(qiáng)度以上，通常在1(T14(W/Cnf2)左右，能量密度在l-3J/cnf2，然后利用飛秒激光脈沖在電極層107上刻蝕周期50-100微米網(wǎng)格線；
(2)降低飛秒激光器101脈沖能量，使得聚焦在電極層107表面的脈沖強(qiáng)度小于刻蝕強(qiáng)度，通過飛秒激光和電極層107表面材料的相互作用，利用飛秒激光誘導(dǎo)表面納米結(jié)構(gòu)的原理在上述網(wǎng)格狀的電極層107表面誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)，可以先后兩次用相互垂直的線性偏振飛秒激光在電極層107表面誘導(dǎo)二維納米光柵。
[0022]通常納米結(jié)構(gòu)是由激光和材料表面波干涉形成周期性的納米光柵，光柵的方向和激光的偏振方向垂直。調(diào)整這種多尺度的微納結(jié)構(gòu)能夠在不同材料表面形成類似“超親7K”，“超疏水”的表面特性。通過改變飛秒激光脈沖的偏振態(tài)，控制飛秒激光強(qiáng)度，形成不同特征的納米結(jié)構(gòu)，達(dá)到改進(jìn)優(yōu)化電極和電解介質(zhì)/電解液的接觸。
[0023]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，包括: 飛秒激光器，用于提供飛秒激光脈沖； 聲光調(diào)制器，用于控制飛秒激光器的開關(guān)以及飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率； 反射鏡系統(tǒng)，用于將飛秒激光導(dǎo)入偏振控制器； 偏振控制器，用于控制飛秒激光在加工電極表面的偏振態(tài)； 激光掃描系統(tǒng)，用于控制激光光斑在電極表面形成圖案； 透鏡，用于將飛秒激光脈沖聚焦到電極表面。2.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光加工電池表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:進(jìn)一步包括一電腦控制系統(tǒng)，所述飛秒激光器、所述聲光調(diào)制器、所述偏振控制器、所述激光掃描系統(tǒng)均與所述電腦控制系統(tǒng)信號(hào)連接并由所述電腦控制系統(tǒng)控制。3.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光加工電池表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:所述飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖依次經(jīng)過所述聲光調(diào)制器、所述反射鏡系統(tǒng)、所述偏振控制器、所述激光掃描系統(tǒng)和所述透鏡。4.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光加工電池表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:所述偏振控制器控制的飛秒激光的偏振態(tài)包括線偏振方向和圓偏振態(tài)。5.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光加工電池表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:所述激光掃描系統(tǒng)為二維平面振鏡系統(tǒng)。6.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光加工電池表面納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:所述透鏡為帶有自聚焦功能的F-theta透鏡。7.—種利用飛秒激光加工電池電極表面納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1 -6中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，包括以下步驟: (1)根據(jù)薄膜電極的電極層厚度設(shè)定飛秒激光器脈沖能量，使得聚焦后脈沖強(qiáng)度達(dá)到冷刻蝕強(qiáng)度以上，然后利用飛秒激光脈沖在電極層上刻蝕周期50-100微米網(wǎng)格線； (2)降低飛秒激光器脈沖能量，使得聚焦后的脈沖強(qiáng)度小于刻蝕強(qiáng)度，通過飛秒激光和電極層表面材料的相互作用，在上述網(wǎng)格狀的電極層表面誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)。8.如權(quán)利要求7所述的利用飛秒激光加工電池表面納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:在步驟(2)中先后兩次用相互垂直的線性偏振飛秒激光在電極層表面誘導(dǎo)二維納米光柵。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK105977446SQ201610534055
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】曹祥東
【申請(qǐng)人】武漢虹拓新技術(shù)有限責(zé)任公司