Siliciumaffald får nyt liv i lithium-ion-batterier

Forskere ved Rice University og Université catholique de Louvain, Belgien, har udviklet en måde at lave fleksible komponenter til genopladelige lithium-ion (LI) batterier af kasseret silicium.

Materialeforskeren Pulickel Ajayans rislaboratorium skabte skove af nanotråde af silicium af høj værdi, men svært at genbruge. Silicium absorberer 10 gange mere lithium end det kulstof, der almindeligvis bruges i LI-batterier, men fordi den udvider sig og trækker sig sammen, efterhånden som den oplades og aflades, det går hurtigt i stykker.

Ajayan-laboratoriet rapporterer i denne uge i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Science om dets teknik til at lave omhyggeligt opstillede nanotråde indkapslet i elektrisk ledende kobber og ionledende polymerelektrolyt til en anode. Materialet giver nanotråde plads til at vokse og krympe efter behov, hvilket forlænger deres anvendelighed. Elektrolytten fungerer også som en effektiv afstandsholder mellem anoden og katoden.

At omdanne affald til batterier bør være en skalerbar proces, sagde Ajayan, Rice's M. og Mary Greenwood Anderson professor i maskinteknik og materialevidenskab og i kemi. Forskerne håber, at deres enheder er et skridt mod en ny generation af fleksible, effektiv, billige batterier, der kan tilpasse sig enhver form.

Co-lead forfattere Arava Leela Mohana Reddy, en risforsker, og Alexandru Vlad, en tidligere forskningsassistent ved Rice og nu postdoktor ved Université catholique de Louvain, var i stand til at trække flere lag af anode/elektrolyt-kompositten fra en enkelt kasseret wafer. Prøver af materialet lavet på Rice ligner strimler af hvid tape eller bandager.

De brugte en etableret proces, kolloid nanosfære litografi, at lave en siliciumkorrosionsmaske ved at sprede polystyrenperler suspenderet i væske på en siliciumwafer. Perlerne på waferen samlede sig selv til et sekskantet gitter - og blev siddende, når de blev krympet kemisk. Et tyndt lag guld blev sprøjtet på og polystyren fjernet, hvilket efterlod en fin guldmaske med jævnt fordelte huller på toppen af ​​waferen. "Vi kunne gøre dette på vafler på størrelse med en pizza på ingen tid, " sagde Vlad.

Masken blev brugt til metal-assisteret kemisk ætsning, hvor silicium opløstes, hvor det rørte ved metallet. Over tid i et kemisk bad, metalkatalysatoren ville synke ned i siliciumet og efterlade millioner af jævnt fordelte nanotråde, 50 til 70 mikron lang, stikke gennem hullerne.

Forskerne aflejrede et tyndt lag kobber på nanotrådene for at forbedre deres evne til at absorbere lithium og infunderede derefter arrayet med en elektrolyt, der ikke kun transporterede ioner til nanotrådene, men også fungerede som en separator mellem anoden og en senere påført katode.

"Ætsning er ikke en ny proces, " sagde Reddy. "Men flaskehalsen for batteriapplikationer havde altid været at fjerne nanotråde fra siliciumwaferen, fordi ren, Fritstående nanotråde smuldrer hurtigt." Elektrolytten opsluger nanotrådsrækken i en fleksibel matrix og letter dens nemme fjernelse. "Vi rører bare ved den med barberbladet, og den skaller lige af, " sagde han. Masken efterlades på den uforstyrrede wafer for at ætse en ny anode.

Når det kombineres med en spray-on strømaftager på den ene side og en katode og strømkollektor på den anden, det resulterende batteri viste lovende, da det leverede 150 milliampere timer pr. gram med lidt henfald over 50 opladnings-/afladningscyklusser. Forskerne arbejder på at forbedre disse kvaliteter og tester anoderne i standard batterikonfigurationer.

"Det nye ved tilgangen ligger i dens iboende enkelhed, " sagde Reddy. "Vi håber, at den nuværende proces vil give en løsning til elektronikaffaldshåndtering ved at tillade en ny lejekontrakt for siliciumchips."