高能量密度储能器件的研发在很大程度上依赖于高负载活性材料的厚膜电极，因为这种设计可以最大限度地减少电极中的非活性成分（集流体、隔膜和电池的封装组件），同时也被认为是开发下一代高性能电池的主要途径之一。然而，传统的厚膜电极仍然面临离子传输动力学有限和比表面积低等挑战。电极材料堆叠的厚膜电极通常表现出曲折且长的离子扩散路径，这严重限制了电极的充电/放电速率以及底层活性材料的利用率，从而影响电极的性能表现（包括能量密度、功率密度和循环寿命）。此外，由于厚膜电极润湿性差，电池内阻增大，电荷转移受到抑制，导致严重的反应不均匀性，严重限制了高负载活性材料厚膜电极的实际应用。因此，制备具有高Li+/e−传输动力学的厚膜电极电极仍是一个巨大的挑战。

图1. (a)超快飞秒激光加工系统示意图，(b)单轨迹扫描和双轨迹扫描的激光加工策略，(c)具有三维垂直排列的微孔传输网络的电极

针对以上问题，西安交通大学梅雪松教授团队基于前期对超快飞秒激光加工技术及锂离子电池技术的深入研究，提出了利用超快飞秒激光加工策略在厚膜钛酸锂电极上构建三维垂直排列的微孔Li+/e−传输网络的方法。本工作中，超快飞秒激光加工技术被成功应用于厚膜电极三维垂直排列的微孔传输网络的精密制备，而此过程中并未破坏电极材料之间的紧密连接，确保了电极材料的完整性和连贯性。在电解液浸润状态下，超快飞秒激光制备的三维微孔传输网络的钛酸锂电极相较于未经处理的电极表现出更佳的力学性能和电解液浸润性，为Li+/e−的迁移与扩散提供了高效通道和浸润条件，从而实现了定向和快速的Li+/e−传输，成功克服了电极厚度势垒的挑战。进一步发现，利用超快飞秒激光加工技术构建的三维垂直排列微孔传输网络具有优异的传输性能，其钛酸锂电极表现出更高的锂离子扩散速率，相较于未经处理的钛酸锂电极提升了一至两个数量级。在60 C高倍率下激光制备的电极比未处理电极的储锂性能提升了2.2倍，同时呈现出更出色的循环性能。该研究提出的超快飞秒激光构建独特的微孔传输网络具有广泛的应用前景，可为其他高性能能源类材料的设计与研究提供新思路，为更高容量电池的发展提供有益启示。

近日，上述研究工作以“飞秒激光在尖晶石结构的钛酸锂(Li4Ti5O12) 厚膜电极上构建三维垂直排列的微孔网络以提高电极的储锂性能”（Femtosecond laser fabrication of 3D vertically aligned micro-pore network on thick-film Li4Ti5O12 electrode for high-performance lithium storage）为题发表于国际储能领域权威期刊《能源化学》（Journal of Energy Chemistry）。

西安交通大学为唯一通讯单位，论文第一作者为博士生李泉省，孙孝飞教授及梅雪松教授为本文的共同通讯作者。该工作由国家自然科学基金(No. 52275463, 51772240)、国家重点研发计划（2021YFB3302000）、陕西省重点研发计划（2018ZDXM-GY135）支持，表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心的支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095495624002572

梅雪松教授团队主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/xsmei

孙孝飞教授团队主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/xfsunxjtu