采用飞秒激光纳米结构集流体的高性能超级电容器

《ACS Applied Engineering Materials》：High-Performance Supercapacitors with Femtosecond-Laser-Nanostructured Current Collectors

采用飞秒激光在氮气和空气环境中对铝箔集流体进行激光诱导周期表面结构（LIPSS）加工，形成纳米级周期结构，显著降低界面电阻（氮气环境降低80%），提升电荷传输效率，同时改善表面润湿性（接触角从93.9°降至29.6°），增强活性材料粘附性和电化学稳定性。该工艺无需额外试剂，适合规模化生产。

　　在当今快速发展的能源科技领域，高效能量存储系统的研发成为推动可再生能源应用和智能设备升级的关键。其中，超级电容器因其高能量密度、快速充放电能力和长循环寿命而备受关注。然而，超级电容器在实际运行中仍面临一些技术挑战，特别是电流收集器与活性材料之间的界面电阻问题。这种电阻不仅会导致能量损失，还会显著降低超级电容器的比功率。此外，活性材料与电流收集器之间较低的附着力也可能引发在循环充放电过程中材料的机械剥离，进而影响设备的稳定性和寿命。为了解决这些问题，研究人员提出了一种利用飞秒激光诱导周期性表面结构（LIPSS）的方法，旨在通过改变电流收集器的表面特性来优化其与活性材料的接触性能。

### LIPSS的形成与作用机制

飞秒激光是一种具有极短脉冲宽度（通常在皮秒至飞秒量级）的高能激光技术，能够精确地控制材料表面的微观结构。在本研究中，飞秒激光用于在铝基电流收集器表面形成周期性表面结构（LIPSS），这些结构可以显著改善电化学性能。LIPSS的形成是由于激光与材料之间的相互作用，特别是在不同气体环境中（如空气和氮气），这种相互作用会引发不同的表面化学反应和物理变化。在空气环境中，铝表面会迅速氧化，形成氧化铝（Al?O?）层，而氮气环境则可以抑制氧化过程，从而形成更均匀的结构和化学成分。

LIPSS的形成不仅增加了电流收集器与活性材料之间的接触面积，还通过改变表面化学性质提高了导电性和化学稳定性。这种表面结构的优化能够有效降低界面电阻，从而提升超级电容器的性能。此外，LIPSS的引入还增强了活性材料与电流收集器之间的附着力，减少机械剥离的风险，使设备在长期使用中保持良好的稳定性。

### 实验方法与材料处理

为了验证LIPSS对超级电容器性能的影响，研究人员采用了一系列实验方法，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）以及电化学测试等。铝箔样品在飞秒激光处理过程中，激光参数被严格控制，包括波长（1030 nm）、功率（3.2 W）、脉冲能量（16 μJ）、重复频率（200 kHz）等。在空气和氮气两种环境下进行激光处理，以比较不同条件对表面结构和性能的影响。

实验结果显示，激光处理在空气中的铝箔表面形成了较厚的氧化铝层，而氮气环境则促进了氮的掺杂，形成了一种氮化铝（AlN）结构。这种结构的变化不仅影响了表面的化学组成，还改变了其物理特性，如表面粗糙度和接触角。在空气处理中，水接触角显著降低，表明表面变得更亲水，这有助于电解液的均匀渗透和活性材料的稳定附着。相比之下，氮气处理的铝箔表面虽然接触角较高，但由于氧化过程被抑制，形成了更均匀的结构，从而进一步降低了界面电阻。

### 电化学性能的提升

通过电化学测试，研究人员评估了不同处理条件下的铝箔对超级电容器性能的影响。测试包括恒流充放电（GCD）和阻抗谱分析（EIS）。结果表明，经过LIPSS处理的铝箔在充放电过程中表现出更低的电阻，尤其是在氮气环境下处理的样品。具体来说，在恒流充放电测试中，氮气处理的铝箔显示出比未处理样品低55%的电阻，而空气处理的样品则显示出85%的电阻降低。这些结果表明，LIPSS处理能够显著提升电流收集器的导电性能。

阻抗谱分析进一步揭示了LIPSS对超级电容器内部电阻的影响。在高频范围内，LIPSS处理的样品表现出更低的电阻，这与表面结构的增加和缺陷的引入有关。而在低频范围内，氮气处理的样品表现出更优的性能，因为其表面形成了更均匀的结构，减少了氧化层的形成。这些发现表明，LIPSS不仅能够提升电荷转移效率，还能够优化整个电化学系统的稳定性。

### 实际应用与前景

LIPSS处理技术的优势在于其无需额外的化学试剂或复杂的多层结构，简化了制造流程并降低了成本。这种技术的可扩展性使其成为大规模生产超级电容器的理想选择。此外，LIPSS处理还能够提高电流收集器的机械强度和化学稳定性，使其在恶劣环境中保持良好的性能。例如，在柔性电子设备中，铝箔的机械柔韧性与LIPSS处理后的结构相辅相成，为可穿戴设备和柔性储能系统提供了新的解决方案。

研究还表明，LIPSS处理能够提升超级电容器的比功率和能量效率。在氮气环境下处理的铝箔表现出最佳的性能，其电阻降低幅度最大，且在1000次充放电循环后仍能保持初始性能。这表明LIPSS处理不仅在短期内提升了设备的性能，还在长期使用中表现出良好的稳定性。因此，LIPSS技术被认为是未来超级电容器和其它电化学储能设备制造中的重要发展方向。

### 结论与展望

综上所述，飞秒激光诱导周期性表面结构（LIPSS）为改善超级电容器电流收集器的性能提供了一种高效且环保的方法。通过在不同气体环境中进行激光处理，研究人员成功地优化了铝箔表面的结构和化学性质，从而显著降低了界面电阻并提高了电荷转移效率。这种技术的可扩展性和低成本特性使其在大规模生产中具有巨大的潜力。未来的研究可以进一步探索LIPSS在不同材料和环境下的应用，以实现更广泛的能量存储解决方案。此外，LIPSS技术的结合与其他表面改性方法，如涂层和复合材料的使用，可能会带来更显著的性能提升，推动下一代高效、稳定和可持续的能源存储设备的发展。