Waar dingen plakkerig worden, is waar interessante wetenschap plaatsvindt in een laboratorium van de Rice University dat werkt aan het verbeteren van batterijtechnologie.

Met behulp van technieken die vergelijkbaar zijn met de technieken die ze gebruikten om lasergeïnduceerd grafeen te ontwikkelen, Rijstchemicus James Tour en zijn collega's veranderden plakband in een siliciumoxidefilm die lastige anoden in lithium-metaalbatterijen vervangt.

Voor de Geavanceerde materialen studie, de onderzoekers gebruikten een infraroodlasersnijder om de op siliconen gebaseerde lijm van commerciële tape om te zetten in de poreuze siliciumoxidecoating, gemengd met een kleine hoeveelheid lasergeïnduceerd grafeen van de polyimiderug van de tape. De beschermende siliciumoxidelaag vormt zich direct op de stroomcollector van de batterij.

Het idee om tape te gebruiken kwam voort uit eerdere pogingen om vrijstaande films van lasergeïnduceerd grafeen te maken, zei toer. In tegenstelling tot pure polyimidefilms, de tape produceerde niet alleen lasergeïnduceerd grafeen van de polyimiderug, maar ook een doorschijnende film waar de kleefstof was geweest. Dat wekte de nieuwsgierigheid van de onderzoekers en leidde tot verdere experimenten.

De laag vormde zich toen ze de tape op een koperen stroomcollector plakten en meerdere keren lazen om de temperatuur snel tot 2 te verhogen, 300 Kelvin (3, 680 graden Fahrenheit). Dat genereerde een poreuze coating die voornamelijk bestond uit silicium en zuurstof, gecombineerd met een kleine hoeveelheid koolstof in de vorm van grafeen.

Bij experimenten, de schuimende film leek lithiummetaal op te nemen en vrij te geven zonder de vorming van dendrieten - stekelige uitsteeksels - die een batterij kunnen kortsluiten en mogelijk brand kunnen veroorzaken. De onderzoekers merkten op dat lithiummetaal de neiging heeft om snel af te breken tijdens de laad- en ontlaadcycli van de batterij met de blote stroomafnemer, maar dergelijke problemen werden niet waargenomen in anoden die waren gecoat met laser-geïnduceerd siliciumoxide (LI-SiO).

"In traditionele lithium-ionbatterijen, lithiumionen worden bij het opladen geïntercaleerd in een grafietstructuur en de-intercaleren wanneer de batterij ontlaadt, " zei hoofdauteur Weiyin Chen, een afgestudeerde Rice-student. "Zes koolstofatomen worden gebruikt om één lithiumatoom op te slaan wanneer de volledige capaciteit van grafiet wordt gebruikt.

"Maar in een lithiummetaalanode, er wordt geen grafiet gebruikt, " zei hij. "De lithiumionen pendelen rechtstreeks van het oppervlak van de metalen anode als de batterij ontlaadt. Lithium-metaalanoden worden beschouwd als een sleuteltechnologie voor toekomstige batterijontwikkeling zodra hun veiligheids- en prestatieproblemen zijn opgelost."

Lithium-metaalanoden kunnen een capaciteit hebben die 10 keer hoger is dan die van traditionele grafiet-lithium-ionbatterijen. Maar lithium-metaalbatterijen die geen grafiet bevatten, gebruiken meestal overtollig lithiummetaal om verliezen te compenseren die worden veroorzaakt door oxidatie van het anode-oppervlak. zei toer.

"Als er geen overtollig lithiummetaal in de anodes is, ze lijden over het algemeen aan snelle degradatie, producerende cellen met een zeer beperkte levensduur, " zei co-auteur Rodrigo Salvatierra, een academische bezoeker in het Tourlab. "Aan de positieve kant, deze 'anodevrije' cellen worden lichter en leveren betere prestaties, maar met de kosten van een kort leven."

De onderzoekers merkten op dat LI-SiO de levensduur van de batterij verdrievoudigde ten opzichte van andere lithium-metaalbatterijen zonder overmaat. De LI-SiO-gecoate batterijen leverden 60 laad-ontlaadcycli met behoud van 70% van hun capaciteit.

Tour zei dat lithium-metaalbatterijen geschikt zouden kunnen zijn als krachtige batterijen voor buitenexpedities of als opslag met hoge capaciteit voor kortstondige uitval in landelijke gebieden.

Het gebruik van standaard industriële lasers zou de industrie in staat moeten stellen op te schalen voor productie op grote oppervlakken. Tour zei dat de methode snel is, vereist geen oplosmiddelen en kan worden gedaan in kameratmosfeer en temperatuur. Hij zei dat de techniek ook films kan produceren om metalen nanodeeltjes te ondersteunen, beschermende coatings en filters.