由香港科技大學（科大）綜合系統與設計學部助理教授李桂君領導的研究團隊，成功開發出一種創新性的單步激光打印技術，可顯著提升鋰硫電池的製造效率。該技術通過納秒級激光誘導轉印工藝，將傳統製造中耗時冗長的活性材料合成與正極製備步驟整合為一步完成，為可打印電化學儲能器件的工業化生產開闢了全新路徑。相關研究成果已發表於國際頂級期刊《自然通訊Nature Communications》。
鋰硫電池因其硫正極的高理論能量密度，有望取代現有的商用鋰離子電池。為保證硫化物的快速轉化，這些正極通常由活性材料、宿主材料（或催化劑）和導電材料組成。然而，宿主材料的製備和硫正極的組裝往往涉及複雜、多步驟且高耗時的過程，需要在不同溫度和條件下進行，這將引起工業量產中效率和成本方面的憂慮。
為了應對這些挑戰，研究團隊開發了一種創新的單步激光打印技術，用於快速製造集成化硫正極。在高通量激光脈衝輻照過程中，前驅體材料被激活，產生顆粒射流，其中包括原位合成的埃洛石基雜化納米管（宿主材料）、硫化物（活性材料）和葡萄糖衍生的多孔碳（導電組分）。這些混合物被打印到碳纖維襯底上，形成集成化硫正極。值得注意的是，激光打印的硫正極在紐扣式和軟包式鋰硫電池中均表現出卓越的電化學性能。
李桂君教授表示：「傳統離子電池的正極／負極製造過程通常包括活性材料的合成（有些情況下需要與宿主材料／催化劑複合）、複合漿料的製備以及正極／負極的組裝。 由於不同材料具有差異較大的物理特性，這些步驟通常需要在不同溫度和條件下單獨進行。因此，整個過程可能需要耗費數十小時甚至數天。」
因此，團隊另闢蹊徑提出了全新的解決方案。李教授補充道：「我們新開發的激光誘導轉印技術可將這些過程整合為一步，且物質轉化速度可達到納秒級。僅使用單束激光，打印速度就可達約2平方厘米每分鐘。 一個75×45平方毫米的硫正極可在20分鐘內打印完成，並在組裝成鋰硫軟包電池後，為小型螢幕供電數小時。」
該論文的第一作者、科大前博士後研究員楊榮亮博士說：「我們從激光-材料相互作用的研究中發現了這一令人振奮的結果。激光誘導轉化過程可被描述為一種超濃縮的熱反應過程。輻照材料會經歷複雜的瞬態加熱和冷卻過程，理論瞬態溫度可達數千開爾文。此過程中，前驅體材料分解後，分解的顆粒重新結合形成新材料。這種超濃縮的熱過程不僅能夠實現不同性質材料的形成與結合，還伴隨微爆炸現象，為形成顆粒的噴射和轉移提供了動力。」
注：科大綜合系統與設計學部的前博士後研究員楊榮亮博士為本文第一作者，科大的李桂君教授為通訊作者。該研究還得到了中南大學唐愛東教授以及長沙礦冶研究院有限責任公司高級工程師黎天保和涂飛躍的支援。該研究獲香港創新科技署資助（項目編號MHP/060/21）。
