El compuesto de silicio / cobre / polímero se puede enrollar de su sustrato de silicio y dejar una máscara en su lugar para comenzar de nuevo el proceso de fabricación de otro ánodo para una batería de iones de litio. Crédito:Alexandru Vlad / Rice University
Investigadores de la Rice University y la Université catholique de Louvain, Bélgica, han desarrollado una forma de fabricar componentes flexibles para baterías recargables de iones de litio (LI) a partir de silicio desechado.
El laboratorio de Rice del científico de materiales Pulickel Ajayan creó bosques de nanocables a partir de silicio de alto valor pero difícil de reciclar. El silicio absorbe 10 veces más litio que el carbono que se usa comúnmente en las baterías LI, pero debido a que se expande y contrae a medida que se carga y descarga, se descompone rápidamente.
El laboratorio de Ajayan informa esta semana en la revista Proceedings of the National Academy of Science sobre su técnica para fabricar nanocables cuidadosamente dispuestos encerrados en cobre eléctricamente conductor y electrolito de polímero conductor de iones en un ánodo. El material le da a los nanocables el espacio para crecer y encogerse según sea necesario, lo que prolonga su utilidad. El electrolito también sirve como un espaciador eficaz entre el ánodo y el cátodo.
La transformación de residuos en baterías debería ser un proceso escalable, dijo Ajayan, Rice's M. and Mary Greenwood Anderson Professor en Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales y de Química. Los investigadores esperan que sus dispositivos sean un paso hacia una nueva generación de eficiente, Baterías económicas que pueden adaptarse a cualquier forma.
Los coautores principales Arava Leela Mohana Reddy, un científico investigador del arroz, y Alexandru Vlad, ex investigador asociado en Rice y ahora investigador postdoctoral en la Université catholique de Louvain, pudieron extraer múltiples capas del compuesto ánodo / electrolito de una sola oblea desechada. Las muestras del material fabricado en Rice parecen tiras de cinta o vendas blancas.
Arava Leela Mohana Reddy, científica investigadora de la Universidad de Rice, sostiene tiras de material de ánodo y un trozo de silicio residual (a la izquierda). Investigadores de Rice y Bélgica encontraron una forma de reciclar silicio en ánodos flexibles para baterías de iones de litio. Crédito:Jeff Fitlow, Universidad de Rice
Usaron un proceso establecido, litografía de nanoesferas coloidales, para hacer una máscara de silicona contra la corrosión esparciendo perlas de poliestireno suspendidas en líquido sobre una oblea de silicio. Las cuentas de la oblea se autoensamblaron en una rejilla hexagonal y se quedaron quietas cuando se encogieron químicamente. Se roció una fina capa de oro y se eliminó el poliestireno, que dejó una fina máscara de oro con agujeros espaciados uniformemente en la parte superior de la oblea. "Podríamos hacer esto en obleas del tamaño de una pizza en poco tiempo, "Dijo Vlad.
La máscara se utilizó en grabado químico asistido por metal, en el que el silicio se disolvió donde tocó el metal. Con el tiempo en un baño químico, el catalizador de metal se hundiría en el silicio y dejaría millones de nanocables espaciados uniformemente, 50 a 70 micrones de largo, asomando por los agujeros.
Como el silicio se disuelve en un baño químico, una máscara de oro se hunde hasta el fondo, dejando nanocables de silicio de unos 100 nanómetros de ancho asomando a través de los orificios. Debido a que el silicio contiene hasta 10 veces más litio que el ánodo en una batería típica de iones de litio, Los investigadores de la Universidad de Rice y de Bélgica están investigando formas de reciclar el silicio residual en componentes funcionales de la batería. Crédito:Alexandru Vlad / Rice University
Los investigadores depositaron una fina capa de cobre en los nanocables para mejorar su capacidad de absorber litio y luego infundieron la matriz con un electrolito que no solo transportaba iones a los nanocables, sino que también sirvió como separador entre el ánodo y un cátodo aplicado posteriormente.
"El grabado no es un proceso nuevo, ", Dijo Reddy." Pero el cuello de botella para las aplicaciones de batería siempre ha sido eliminar los nanocables de la oblea de silicio porque puro, Los nanocables independientes se desmoronan rápidamente ". El electrolito envuelve la matriz de nanocables en una matriz flexible y facilita su fácil extracción." Simplemente lo tocamos con la hoja de afeitar y se despega de inmediato, ", dijo. La máscara se deja en la oblea intacta para grabar un nuevo ánodo.
Cuando se combina con un colector de corriente en aerosol en un lado y un cátodo y un colector de corriente en el otro, la batería resultante se mostró prometedora, ya que entregó 150 miliamperios hora por gramo con poco deterioro durante 50 ciclos de carga / descarga. Los investigadores están trabajando para mejorar esas cualidades y probando los ánodos en configuraciones de batería estándar.
"La novedad del enfoque radica en su simplicidad inherente, ", Dijo Reddy." Esperamos que el proceso actual proporcione una solución para la gestión de residuos electrónicos al permitir una nueva vida útil para los chips de silicio ".
