Une équipe de recherche a développé une technique d'impression laser en une seule étape innovante pour accélérer la fabrication de batteries lithium-soufre.

Intégrant la synthèse des matériaux actifs et la préparation de la cathode en temps chronométriques dans un processus de conversion induit par le laser à l'échelle nanoseconde, cette technique est définie pour révolutionner la future production industrielle de dispositifs de stockage électrochimique électrochimiques imprimables.

A research team has developed an innovative single-step laser printing technique to accelerate the manufacturing of lithium-sulfur batteries. Integrating the commonly time-consuming active materials synthesis and cathode preparation in a nanosecond-scale laser-induced conversion process, this technique is set to revolutionize the future industrial production of printable electrochemical energy storage devices. The team was led by Prof. Mitch Li Guijun, Assistant Professor from the Division of Integrative Systems and Design at the Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Une équipe de recherche a développé une technique d'impression laser en une seule étape innovante pour accélérer la fabrication de batteries lithium-soufre. Intégrant la synthèse des matériaux actifs et la préparation de la cathode en temps chronométriques dans un processus de conversion induit par le laser à l'échelle nanoseconde, cette technique est définie pour révolutionner la future production industrielle de dispositifs de stockage électrochimique électrochimiques imprimables. L'équipe était dirigée par le professeur Mitch Li Guijun, professeur adjoint de la Division des systèmes intégratifs et de la conception à l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST).

The findings of this study are published in the journal Nature Communications.

Les résultats de cette étude sont publiés dans la revue Nature Communications.

Lithium-sulfur batteries are expected to supersede existing lithium-ion batteries due to sulfur cathodes' high theoretical energy density. To ensure the rapid conversion of sulfur species, these cathodes are typically composed of active materials, host materials (or catalysts), and conductive materials.

Les batteries au lithium-sulfure devraient remplacer les batteries lithium-ion existantes en raison de la forte densité théorique des cathodes de soufre. Pour assurer la conversion rapide des espèces de soufre, ces cathodes sont généralement composées de matériaux actifs, de matériaux hôtes (ou de catalyseurs) et de matériaux conducteurs.

However, the fabrication of host materials and preparation of sulfur cathodes often involves complicated, multistep, and labor-intensive processes that require varying temperatures and conditions, raising concerns about efficiency and cost in industrial production.

Cependant, la fabrication de matériaux hôtes et la préparation des cathodes de soufre impliquent souvent des processus complexes, en plusieurs étapes et à forte intensité de main-d'œuvre qui nécessitent des températures et des conditions variables, ce qui soulève des préoccupations concernant l'efficacité et le coût de la production industrielle.

To overcome these challenges, Prof. Li's team developed a novel single-step laser printing technique for the rapid manufacturing of integrated sulfur cathodes. During this high-throughput laser-pulse irradiation process, the precursor donor is activated, producing jetting particles that include in-situ synthesized halloysite-based hybrid nanotubes (host material), sulfur species (active material), and glucose-derived porous carbon (conductive component). The mixture is printed onto a carbon fabric acceptor, forming an integrated sulfur cathode. Notably, the laser-printed sulfur cathodes demonstrate outstanding performance in both coin and pouch lithium-sulfur cells.

Pour surmonter ces défis, l'équipe du professeur Li a développé une nouvelle technique d'impression laser en une étape pour la fabrication rapide de cathodes de soufre intégrés. Au cours de ce processus d'irradiation à impulsion laser à haut débit, le donneur de précurseur est activé, produisant des particules de jet qui incluent des nanotubes hybrides à base de halloysite synthétisées in situ (matériau hôte), des espèces de soufre (matériau actif) et du carbone poreux dérivé du glucose (composante conductrice). Le mélange est imprimé sur un accepteur de tissu de carbone, formant une cathode de soufre intégrée. Notamment, les cathodes de soufre imprimées au laser présentent des performances exceptionnelles dans les cellules au lithium-sulfure de la pièce et de la pochette.

"Traditional manufacturing processes of a cathode/anode in ion battery usually contain the synthesis of active materials (sometimes combined with host material/ catalyst), the preparation of mixture slurry, and the assembly of cathode/anode," said Prof. Li.

"Les processus de fabrication traditionnels d'une cathode / anode dans la batterie ionique contiennent généralement la synthèse de matériaux actifs (parfois combinés avec des matériaux hôtes / catalyseur), la préparation d'une suspension de mélange et l'assemblage de cathode / anode", a déclaré le professeur Li.

"These steps are usually carried out separately under different temperatures and conditions because the materials behave differently. As a result, the whole process can take tens of hours or even several days."

"Ces étapes sont généralement effectuées séparément sous différentes températures et conditions car les matériaux se comportent différemment. En conséquence, l'ensemble du processus peut prendre des dizaines d'heures ou même plusieurs jours."

Prof. Li said, "Our newly developed laser-induced conversion technology offers a way to combine these processes into a single step at nanosecond speeds. The printing speed can achieve about 2 cm2/minute using only a single beam laser. A 75 × 45 mm2 sulfur cathode can be printed within 20 minutes and supply power for a small screen for several hours when assembled into a lithium-sulfur pouch cell."

Le professeur Li a déclaré: "Notre technologie de conversion induite par le laser nouvellement développée offre un moyen de combiner ces processus en une seule étape à des vitesses de nanoseconde. La vitesse d'impression peut atteindre environ 2 cm2 / minute en utilisant uniquement un laser à faisceau unique. Une puissance de 75 × 45 mm2 peut être imprimée dans une plage de lithium-sulfur pour un petit écran pour plusieurs heures lorsque vous avez assemblé dans une plage de Lithium-Sulfur."

Dr. Yang Rongliang, the first author of this work and former postdoctoral fellow at HKUST, added, "These intriguing findings generated from our study on laser-material interaction. The laser-induced conversion process can be characterized as an ultra-concentrated thermal phenomenon. The irradiated materials undergo a complex transient heating and cooling process, with theoretical transient temperatures reaching up to thousands of degrees Kelvin.

Le Dr Yang Rongliang, le premier auteur de ce travail et ancienne boursier postdoctoral de HKUST, a ajouté: "Ces résultats intrigants générés à partir de notre étude sur l'interaction laser-matériau. Degrés Kelvin.

"The precursor materials decompose, and the decomposed particles recombine to form new materials. This ultra-concentrated thermal process not only enables the formation and combination of materials with different natures, but also drives the concomitant micro-explosions that facilitate the jetting and transferring of forming particles."

"Les matériaux précurseurs se décomposent et les particules décomposées se recombinent pour former de nouveaux matériaux. Ce processus thermique ultra-concentré permet non seulement la formation et la combinaison de matériaux avec différentes natures, mais entraîne également les micro-explications concomitantes qui facilitent le jet et le transfert des particules de formation."

More information: Rongliang Yang et al, Single-step laser-printed integrated sulfur cathode toward high-performance lithium–sulfur batteries, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57755-0

Plus d'informations: Rongliang Yang et al, cathode de soufre intégrée imprimée en laser à un étape vers les batteries au lithium-sulfure à haute performance, aux communications de la nature (2025). Doi: 10.1038 / s41467-025-57755-0