연구팀은 리튬 공화 배터리 제조를 가속화하기 위해 혁신적인 단일 단계 레이저 인쇄 기술을 개발했습니다.

나노 초 규모의 레이저 유발 전환 공정에서 일반적으로 시간이 많이 걸리는 활성 재료 합성 및 캐소드 준비를 통합 하면서이 기술은 인쇄 가능한 전기 화학 에너지 저장 장치의 미래 산업 생산에 혁명을 일으키기 위해 설정되어 있습니다.

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).

연구팀은 리튬 공화 배터리 제조를 가속화하기 위해 혁신적인 단일 단계 레이저 인쇄 기술을 개발했습니다. 나노 초 규모의 레이저 유발 전환 공정에서 일반적으로 시간이 많이 걸리는 활성 재료 합성 및 캐소드 준비를 통합 하면서이 기술은 인쇄 가능한 전기 화학 에너지 저장 장치의 미래 산업 생산에 혁명을 일으키기 위해 설정되어 있습니다. 이 팀은 홍콩 과학 기술 대학 (HKUST)의 통합 시스템 및 디자인 부서의 조교수 인 Mitch Li Guijun 교수가 이끌었습니다.

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

이 연구의 결과는 Nature Communications 저널에 발표됩니다.

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.

리튬-공화 배터리는 황토의 높은 이론적 에너지 밀도로 인해 기존 리튬 이온 배터리를 대체 할 것으로 예상됩니다. 황 종의 빠른 전환을 보장하기 위해, 이들 캐소드는 일반적으로 활성 물질, 숙주 재료 (또는 촉매) 및 전도성 물질로 구성됩니다.

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.

그러나, 숙주 재료의 제조 및 황토의 제조에는 종종 온도와 조건이 다양한 온도와 조건을 필요로하는 복잡한, 다단계 및 노동 집약적 과정이 포함되어 산업 생산의 효율성과 비용에 대한 우려를 높입니다.

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.

이러한 과제를 극복하기 위해 Li 교수의 팀은 통합 황토의 빠른 제조를위한 새로운 단일 단계 레이저 인쇄 기술을 개발했습니다. 이 고 처리량 레이저-펄스 조사 공정 동안, 전구체 공여체는 활성화되어, 현장 합성 할로이 사이트 기반 하이브리드 나노 튜브 (숙주 재료), 황 종 (활성 물질) 및 포도당 유래 다공성 탄소 (전도성 성분)를 포함하는 분사 입자를 생성한다. 혼합물을 탄소 직물 수용체에 인쇄하여 통합 된 황 캐소드를 형성합니다. 특히, 레이저 인쇄 황은 캐소드는 코인 및 파우치 리튬-설 푸르 세포 모두에서 뛰어난 성능을 보여줍니다.

"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.

Li 교수는“이온 배터리에서 음극/양극의 전통적인 제조 공정은 일반적으로 활성 재료의 합성 (때로는 숙주 재료/촉매와 결합), 혼합물 슬러리의 제조 및 음극/양극의 조립을 포함한다 "고 Li 교수는 말했다.

"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."

"이러한 단계는 재료가 다르게 행동하기 때문에 일반적으로 다른 온도와 조건에서 별도로 수행됩니다. 결과적으로 전체 프로세스는 수십 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있습니다."

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."

Li 교수는 "새로 개발 된 레이저 유발 변환 기술은 이러한 프로세스를 나노 초 속도로 단일 단계로 결합 할 수있는 방법을 제공합니다. 인쇄 속도는 단일 빔 레이저 만 사용하여 약 2cm2/분을 달성 할 수 있습니다. 20 분 안에 75 × 45 MM2 Sulfur Cathode를 인쇄 할 수있는 75 × 45 MM2 Sulfur Cathode를 위해 공급 전력을 공급 할 수 있습니다.

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.

이 작품의 첫 번째 저자이자 Hkust의 전 박사후 연구원 인 Yang Rongliang 박사는 다음과 같이 덧붙였습니다. 켈빈도.

"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."

"전구체 재료는 분해되고, 분해 된 입자는 새로운 재료를 형성하기 위해 재조합한다.이 초기가 열광적 인 열 공정은 다른 자연과 재료의 형성 및 조합을 가능하게 할뿐만 아니라, 형성 입자의 분열 및 전달을 촉진하는 수반되는 미세 폭발을 유도한다."

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

더 많은 정보 : Rongliang Yang et al, 단일 단계 레이저 인쇄 통합 황 캐소드, 고성능 리튬-설포 배터리, Nature Communications (2025). doi : 10.1038/s41467-025-57755-0