Il composito silicio/rame/polimero può essere arrotolato dal suo substrato di silicio e lasciare una maschera in posizione per ricominciare il processo di creazione di un altro anodo per una batteria agli ioni di litio. Credito:Alexandru Vlad/Rice University
Ricercatori della Rice University e dell'Université catholique de Louvain, Belgio, hanno sviluppato un modo per realizzare componenti flessibili per batterie ricaricabili agli ioni di litio (LI) da silicio scartato.
Il laboratorio di ricerca dei materiali del Rice, Pulickel Ajayan, ha creato foreste di nanofili da silicio di alto valore ma difficile da riciclare. Il silicio assorbe 10 volte più litio rispetto al carbonio comunemente usato nelle batterie LI, ma poiché si espande e si contrae caricandosi e scaricandosi, si rompe rapidamente.
Il laboratorio di Ajayan riferisce questa settimana sulla rivista Proceedings of the National Academy of Science sulla sua tecnica per realizzare nanofili accuratamente disposti in un rivestimento di rame elettricamente conduttore e elettrolita polimerico a conduzione ionica in un anodo. Il materiale offre ai nanofili lo spazio per crescere e restringersi secondo necessità, che ne prolunga l'utilità. L'elettrolita funge anche da distanziatore efficiente tra l'anodo e il catodo.
Trasformare i rifiuti in batterie dovrebbe essere un processo scalabile, disse Ajayan, Rice's M. e Mary Greenwood Anderson Professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di chimica. I ricercatori sperano che i loro dispositivi siano un passo avanti verso una nuova generazione di dispositivi flessibili, efficiente, batterie economiche che possono adattarsi a qualsiasi forma.
Co-autore principale Arava Leela Mohana Reddy, uno scienziato ricercatore di riso, e Alexandru Vlad, un ex ricercatore associato alla Rice e ora ricercatore post-dottorato presso l'Université catholique de Louvain, sono stati in grado di estrarre più strati del composito anodo/elettrolita da un singolo wafer scartato. I campioni del materiale prodotto alla Rice sembrano strisce di nastro adesivo bianco o bende.
Arava Leela Mohana Reddy, ricercatore della Rice University, tiene in mano strisce di materiale anodico e un pezzo di silicio di scarto (a sinistra). I ricercatori di Rice e in Belgio hanno trovato un modo per riciclare il silicio in anodi flessibili per batterie agli ioni di litio. Credito:Jeff Fitlow, Università del riso
Hanno usato un processo stabilito, litografia colloidale a nanosfere, per realizzare una maschera di corrosione del silicio spargendo perline di polistirene sospese in un liquido su un wafer di silicio. Le perline sul wafer si sono autoassemblate in una griglia esagonale e sono rimaste in posizione quando rimpicciolite chimicamente. Si spruzzava un sottile strato d'oro e si rimuoveva il polistirolo, che ha lasciato una bella maschera d'oro con fori equidistanti sulla parte superiore del wafer. "Potremmo farlo su wafer delle dimensioni di una pizza in pochissimo tempo, " ha detto Vlad.
La maschera è stata utilizzata nell'incisione chimica assistita da metallo, in cui il silicio si dissolveva nel punto in cui toccava il metallo. Nel tempo in un bagno chimico, il catalizzatore metallico affonderebbe nel silicio e lascerebbe milioni di nanofili equidistanti, da 50 a 70 micron di lunghezza, frugando nei buchi.
Poiché il silicio viene sciolto in un bagno chimico, una maschera d'oro sprofonda sul fondo, lasciando nanofili di silicio larghi circa 100 nanometri che spuntano attraverso i fori. Poiché il silicio contiene fino a 10 volte il litio dell'anodo di una tipica batteria agli ioni di litio, i ricercatori della Rice University e in Belgio stanno studiando modi per riciclare il silicio di scarto in componenti funzionali della batteria. Credito:Alexandru Vlad/Rice University
I ricercatori hanno depositato un sottile strato di rame sui nanofili per migliorare la loro capacità di assorbire il litio e quindi hanno infuso l'array con un elettrolita che non solo trasportava ioni ai nanofili, ma fungeva anche da separatore tra l'anodo e un catodo applicato in seguito.
"L'incisione non è un processo nuovo, " Reddy ha detto. "Ma il collo di bottiglia per le applicazioni della batteria è sempre stato quello di togliere i nanofili dal wafer di silicio perché puro, i nanofili indipendenti si sbriciolano rapidamente." L'elettrolita avvolge l'array di nanofili in una matrice flessibile e facilita la sua facile rimozione. "Lo tocchiamo semplicemente con la lametta e si stacca subito, " disse. La maschera viene lasciata sul wafer imperturbabile per incidere un nuovo anodo.
In combinazione con un collettore di corrente spray da un lato e un catodo e un collettore di corrente dall'altro, la batteria risultante ha mostrato risultati promettenti in quanto ha fornito 150 milliampere per grammo con un piccolo decadimento su 50 cicli di carica/scarica. I ricercatori stanno lavorando per migliorare queste qualità e testare gli anodi in configurazioni di batterie standard.
"La novità dell'approccio sta nella sua intrinseca semplicità, " Reddy ha detto. "Ci auguriamo che l'attuale processo fornisca una soluzione per la gestione dei rifiuti elettronici consentendo una nuova prospettiva di vita per i chip di silicio".
