編譯／高晟鈞 高性能電池是實現移動領域電氣化的關鍵要素和先決條件。無論適用於固定式儲能系統，還是用於諸如電動汽 …

編譯／高晟鈞

高性能電池是實現移動領域電氣化的關鍵要素和先決條件。無論適用於固定式儲能系統，還是用於諸如電動汽車、公車或自行車等，電池都將在這些領域佔具舉足輕重的地位。這也是世界各地研究人員都致力於改進電池技術的根本原因。

近期，來自德國亞琛的科學家開發了兩種基於雷射的製造技術，可以在生產過程中，使用更少的能源，同時製造出具有更高功率密度和使用壽命的鋰離子電池。

傳統的鋰離子電池生產過程中的關鍵步驟之一，是使用卷對卷工藝（Roll-to-Roll）在銅箔上塗上石墨糊，然後在160-180度的連續爐（Continuous Furnace）中乾燥並製造電極。這項過程除了消耗大量能源外，還需要佔用大量空間。

來自德國的研究人員開發出了一種全新的系統，使用二極管雷射器執行乾燥過程，利用波長為1微米的雷射與特殊的光學系統，在塗有石墨糊的大面積銅箔上照射，利用石墨吸收能量來進行乾燥。與傳統方式相比，二極管雷射器非常節能，且排放到環境的熱能很低，可以節省約50%的能量需求和60%的空間浪費。

除此之外，該團隊還提高了鋰離子電池的功率密度和使用壽命。該雷射技術，使用了一毫焦耳脈衝能量的高功率超短脈衝雷射器，在電池電極中開通一條稱為「通道」（Channels）的孔結構。這條通道就像是離子的高速公路，減少了離子的行進距離，縮短了充電的時間；另外，這條通道還能防止缺陷產生，增加了充電循環次數，並最終延長電池的使用壽命。

這項研究表明了，雷射技術可以用於提高電池的質量，並顯著提高製造過程中的可持續性。「我們的下一步是將技術從實驗室，擴展到工業生產線當中。」該團隊負責人Matthias Trenn說。

資料來源:TechXplore

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自由電子雷射器(FEL)通過將加速至接近光速的電子束轉化為光子能量來產生高亮度的雷射脈衝。而XFEL是針對X射 …

自由電子雷射器(FEL)通過將加速至接近光速的電子束轉化為光子能量來產生高亮度的雷射脈衝。而XFEL是針對X射線波長的自由電子發射器，光子在每個波盪器周期內會與電子相互作用，使得電子束密度被自發輻射周期性地調控，並在足夠長的波盪器內形成微聚束。微聚束又反過來放大某些特定能量的光子，從而加強自發輻射形成正反饋放大直到系統進入飽和狀態。XFEL能幫助我們在解析各種領域中材料的原子結構或原子尺度的超快過程。

然而這些XFEL都有一些共同的缺點，像是體積過大，成本昂貴，如何改善這些缺點成了首要的課題。HZDR 輻射物理研究所所長Ulrich Schramm教授說:「我們正研究一種仍在開發中的新加速器技術—雷射等離子體加速，改善這些問題。」其原理是使用高功率光束，將短時超強光發射到等離子體中，光脈衝會在其中產生強烈的交流電磁波，軌跡類似船的尾波。這種電磁波能在短距離內將電子大幅加速，原則上，這可以將100米長的加速器縮短成不到1米。

為了產生等離子體加速驅動的可控FEL光束，HZDR與SOLEIL的專家合作。他們在德國Dresdon安裝了一個由高功率光束DRACO驅動的等離子體加速器，它能提供高質量高速的電子束。研究團隊也隨後構建了一個波盪器，其針對電子束傳輸方法、輻射的產生、種子生成、塑形都進行了優化。而為了在紫外線波長範圍內產生FEL雷射，研究人員必須生產出含有大量電子的粒子束，並且這些電子得盡可能的保有相等能量。

最終，研究團隊通過一種稱為—等離子透鏡的改進方式，以及部署一種稱為播種(Seeding)的方法，他們將外部雷射脈衝與電子束同步射入波盪器，此舉可以提高FEL雷射光的質量進而達到加速FEL的過程。

通過這種裝置，該團隊終於實現等離子體驅動的FEL產生的超短紫外雷射光束，一個15年來在該領域只存在於夢想中的自由電子雷射器。儘管成果達到了一個重要的里程碑，在等離子體的FEL投入實際使用時仍有各種挑戰需要克服。像是雖然裝置能產生紫外線脈衝，電子仍需被加速到更高能量，以達到研究所需的高強度X射線閃光，

「目前為止，電子束的質量對於XFEL仍然太差且不穩定，但透過新一代高功率雷射器，我們希望能解決這個問題。」研究人員說道。若這項努力取得成功，FEL未來將可以安裝在地下室中，提供給更多的研究團隊使用。（編譯／高晟鈞）

資料來源:PHYS.ORG

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