Där saker blir klibbiga råkar vara där intressant vetenskap händer i ett Rice University-labb som arbetar för att förbättra batteritekniken.

Genom att använda tekniker som liknar dem de använde för att utveckla laserinducerad grafen, Riskemisten James Tour och hans kollegor förvandlade tejp till en silikonoxidfilm som ersätter besvärliga anoder i litiummetallbatterier.

För Avancerade material studie, forskarna använde en infraröd laserskärare för att omvandla det silikonbaserade limmet från kommersiell tejp till den porösa kiseloxidbeläggningen, blandat med en liten mängd laserinducerad grafen från tejpens polyimidbaksida. Det skyddande kiseloxidskiktet bildas direkt på batteriets strömavtagare.

Idén att använda tejp kom från tidigare försök att producera fristående filmer av laserinducerad grafen, sa Tour. Till skillnad från rena polyimidfilmer, tejpen producerade inte bara laserinducerad grafen från polyimidbaksidan utan också en genomskinlig film där limmet hade varit. Det fångade forskarnas nyfikenhet och ledde till ytterligare experiment.

Skiktet bildades när de satte fast tejpen på en kopparströmavtagare och lasade den flera gånger för att snabbt höja dess temperatur till 2, 300 Kelvin (3, 680 grader Fahrenheit). Det genererade en porös beläggning som huvudsakligen består av kisel och syre, kombinerat med en liten mängd kol i form av grafen.

I experiment, den skummande filmen verkade suga upp och släppa ut litiummetall utan att tillåta bildandet av dendriter – taggiga utsprång – som kan kortsluta ett batteri och potentiellt orsaka bränder. Forskarna noterade att litiummetall tenderar att brytas ned snabbt under batteriets laddnings- och urladdningscykler med den blotta strömavtagaren, men inga sådana problem observerades i anoder belagda med laserinducerad kiseloxid (LI-SiO).

"I traditionella litiumjonbatterier, litiumjoner interkaleras i en grafitstruktur vid laddning och de-interkaleras när batteriet laddas ur, " sa huvudförfattaren Weiyin Chen, en Rice-student. "Sex kolatomer används för att lagra en litiumatom när hela kapaciteten av grafit används.

"Men i en litiummetallanod, ingen grafit används, " sade han. "Litiumjonerna skjuts direkt från ytan av metallanoden när batteriet laddas ur. Litiummetallanoder anses vara en nyckelteknologi för framtida batteriutveckling när deras säkerhets- och prestandaproblem är lösta."

Litiummetallanoder kan ha en kapacitet 10 gånger högre än traditionella grafit-litiumjonbatterier. Men litiummetallbatterier som saknar grafit använder vanligtvis överskott av litiummetall för att kompensera för förluster orsakade av oxidation av anodytan, sa Tour.

"När det inte finns något överskott av litiummetall i anoderna, de lider i allmänhet snabbt nedbrytning, producerar celler med mycket begränsad livslängd, " sa medförfattaren Rodrigo Salvatierra, en akademisk besökare i Tour-labbet. "På den ljusa sidan, dessa "anodfria" celler blir lättare och ger bättre prestanda, men med kostnaden för ett kort liv."

Forskarna noterade att LI-SiO tredubblade batterilivslängden jämfört med andra litiummetallbatterier med noll överskott. De LI-SiO-belagda batterierna levererade 60 laddnings-urladdningscykler samtidigt som de behöll 70 % av sin kapacitet.

Tour sa att det skulle kunna göra litiummetallbatterier lämpliga som högpresterande batterier för utomhusexpeditioner eller högkapacitetslagring för korttidsavbrott på landsbygden.

Användning av vanliga industriella lasrar bör göra det möjligt för industrin att skala upp för storproduktion. Tour sa att metoden är snabb, kräver inga lösningsmedel och kan göras i rumsatmosfär och temperatur. Han sa att tekniken också kan producera filmer för att stödja metallnanopartiklar, skyddande beläggningar och filter.