Forskare vid Rice University och Université catholique de Louvain, Belgien, har utvecklat ett sätt att göra flexibla komponenter för laddningsbara litiumjonbatterier (LI) från kasserat kisel.

Materialforskaren Pulickel Ajayans rislabb skapade skogar av nanotrådar av högkvalitativt men svåråtervinnbart kisel. Kisel absorberar 10 gånger mer litium än det kol som vanligtvis används i LI -batterier, men eftersom den expanderar och drar ihop sig när den laddar och släpper ut, det går sönder snabbt.

Ajayan-labbet rapporterar denna vecka i tidskriften Proceedings of the National Academy of Science om dess teknik för att göra noggrant upplagda nanotrådar inneslutna i elektriskt ledande koppar och jonledande polymerelektrolyt till en anod. Materialet ger nanotrådar utrymme att växa och krympa efter behov, vilket förlänger deras användbarhet. Elektrolyten fungerar också som en effektiv distans mellan anoden och katoden.

Att omvandla avfall till batterier bör vara en skalbar process, sa Ajayan, Rices M. och Mary Greenwood Anderson Professor i maskinteknik och materialvetenskap och kemi. Forskarna hoppas att deras enheter är ett steg mot en ny generation flexibla, effektiv, billiga batterier som kan passa alla former.

Medförfattare Arava Leela Mohana Reddy, en risforskare, och Alexandru Vlad, en tidigare forskarassistent vid Rice och nu postdoktor vid Université catholique de Louvain, kunde dra flera lager av anoden/elektrolytkompositen från en enda kasserad skiva. Prover av materialet från Rice ser ut som remsor av vit tejp eller bandage.

De använde en etablerad process, kolloidal nanosfärlitografi, att göra en kiselkorrosionsmask genom att sprida polystyrenpärlor suspenderade i vätska på en kiselskiva. Pärlorna på skivan monterades själv i ett sexkantigt galler-och stannade kvar när de krymptes kemiskt. Ett tunt lager guld sprutades på och polystyren avlägsnades, som lämnade en fin guldmask med jämnt fördelade hål ovanpå skivan. "Vi kunde göra detta på skivor som är stor som en pizza på nolltid, "Sade Vlad.

Masken användes vid metallassisterad kemisk etsning, där kislet löstes upp där det rörde metallen. Med tiden i ett kemiskt bad, metallkatalysatorn skulle sjunka ner i kislet och lämna miljontals jämnt fördelade nanotrådar, 50 till 70 mikron lång, peta genom hålen.

Forskarna deponerade ett tunt lager koppar på nanotrådarna för att förbättra deras förmåga att absorbera litium och infunderade sedan matrisen med en elektrolyt som inte bara transporterade joner till nanotrådarna utan också fungerade som en separator mellan anoden och en senare applicerad katod.

"Etsning är inte en ny process, "Sa Reddy." Men flaskhalsen för batteriapplikationer hade alltid tagit nanotrådar av kiselskivan eftersom ren, fristående nanotrådar sönderfaller snabbt. "Elektrolyten uppslukar nanotrådsuppsättningen i en flexibel matris och underlättar dess enkla avlägsnande." Vi rör det bara med rakbladet och det skalar direkt, "sa han. Masken lämnas på den ostörda skivan för att etsa en ny anod.

I kombination med en spray-on strömkollektor på ena sidan och en katod och strömkollektor på den andra, det resulterande batteriet visade löfte då det levererade 150 milliamp timmar per gram med lite sönderfall över 50 laddnings-/urladdningscykler. Forskarna arbetar med att förbättra dessa egenskaper och testa anoderna i standardbatterikonfigurationer.

"Nyheten i tillvägagångssättet ligger i dess inneboende enkelhet, "Reddy sa." Vi hoppas att den nuvarande processen kommer att ge en lösning för elektronikavfallshantering genom att tillåta ett nytt liv på kiselflis. "