Onderzoekers aan de Rice University en de Université catholique de Louvain, België, hebben een manier ontwikkeld om flexibele componenten voor oplaadbare lithium-ion (LI) batterijen te maken van afgedankt silicium.

Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan creëerde bossen met nanodraden van hoogwaardig maar moeilijk te recyclen silicium. Silicium absorbeert 10 keer meer lithium dan de koolstof die gewoonlijk wordt gebruikt in LI-batterijen, maar omdat het uitzet en samentrekt terwijl het oplaadt en ontlaadt, het gaat snel kapot.

Het Ajayan-lab rapporteert deze week in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Science over zijn techniek om zorgvuldig gerangschikte nanodraden omhuld met elektrisch geleidend koper en ionengeleidend polymeerelektrolyt in een anode te maken. Het materiaal geeft nanodraden de ruimte om te groeien en te krimpen als dat nodig is, wat hun bruikbaarheid verlengt. De elektrolyt dient ook als een efficiënte afstandhouder tussen de anode en de kathode.

Het omzetten van afval in batterijen moet een schaalbaar proces zijn, zei Ajayan, M. en Mary Greenwood Anderson van Rice, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde. De onderzoekers hopen dat hun apparaten een stap zijn in de richting van een nieuwe generatie flexibele, efficiënt, goedkope batterijen die zich aan elke vorm kunnen aanpassen.

Co-hoofdauteurs Arava Leela Mohana Reddy, een rijstonderzoeker, en Alexandru Vlad, een voormalig onderzoeksmedewerker bij Rice en nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Université catholique de Louvain, waren in staat om meerdere lagen van de anode/elektrolytcomposiet uit een enkele afgedankte wafer te trekken. Monsters van het materiaal dat bij Rice wordt gemaakt, zien eruit als stroken witte tape of verband.

Ze gebruikten een vaststaand proces, colloïdale nanosfeerlithografie, om een ​​siliconencorrosiemasker te maken door polystyreenkorrels gesuspendeerd in vloeistof op een siliciumwafel te verspreiden. De kralen op de wafel vormden zichzelf tot een zeshoekig raster - en bleven op hun plaats als ze chemisch werden gekrompen. Er werd een dun laagje goud op gespoten en het polystyreen verwijderd, die een fijn gouden masker achterliet met gelijkmatig verdeelde gaten bovenop de wafel. "We zouden dit in een mum van tijd kunnen doen op wafels ter grootte van een pizza, ' zei Vlad.

Het masker werd gebruikt bij chemisch etsen met metaalondersteuning, waarin het silicium oploste waar het het metaal raakte. Na verloop van tijd in een chemisch bad, de metaalkatalysator zou in het silicium zinken en miljoenen gelijkmatig verdeelde nanodraden achterlaten, 50 tot 70 micron lang, door de gaten prikken.

De onderzoekers brachten een dunne laag koper aan op de nanodraden om hun vermogen om lithium te absorberen te verbeteren en vervolgens de array doordrenkt met een elektrolyt dat niet alleen ionen naar de nanodraden transporteerde, maar ook diende als een separator tussen de anode en een later aangebrachte kathode.

"Etsen is geen nieuw proces, "Zei Reddy. "Maar het knelpunt voor batterijtoepassingen was altijd het verwijderen van nanodraden van de siliciumwafel omdat pure, vrijstaande nanodraden brokkelen snel af." Het elektrolyt omhult de nanodraad-array in een flexibele matrix en vergemakkelijkt de gemakkelijke verwijdering ervan. "We raken het gewoon aan met het scheermesje en het pelt er meteen af, ' zei hij. Het masker wordt op de ongestoorde wafel gelaten om een ​​nieuwe anode te etsen.

In combinatie met een opgespoten stroomafnemer aan de ene kant en een kathode en stroomafnemer aan de andere kant, de resulterende batterij was veelbelovend omdat hij 150 milliampère-uur per gram leverde met weinig verval gedurende 50 laad-/ontlaadcycli. De onderzoekers werken aan het verbeteren van die kwaliteiten en testen de anodes in standaard batterijconfiguraties.

"De nieuwigheid van de aanpak ligt in zijn inherente eenvoud, " zei Reddy. "We hopen dat het huidige proces een oplossing zal bieden voor het beheer van elektronisch afval door een nieuw leven in te blazen voor siliciumchips."