Le composite silicium/cuivre/polymère peut être roulé à partir de son substrat de silicium et laisser un masque en place pour recommencer le processus de fabrication d'une autre anode pour une batterie lithium-ion. Crédit :Alexandru Vlad/Université Rice
Chercheurs de l'Université Rice et de l'Université catholique de Louvain, La Belgique, ont développé un moyen de fabriquer des composants flexibles pour les batteries lithium-ion rechargeables (LI) à partir de silicium mis au rebut.
Le scientifique des matériaux du laboratoire Rice Pulickel Ajayan a créé des forêts de nanofils à partir de silicium de grande valeur mais difficile à recycler. Le silicium absorbe 10 fois plus de lithium que le carbone couramment utilisé dans les batteries LI, mais parce qu'il se dilate et se contracte au fur et à mesure qu'il se charge et se décharge, il se décompose rapidement.
Le laboratoire Ajayan rapporte cette semaine dans la revue Proceedings of the National Academy of Science sa technique pour fabriquer des nanofils soigneusement disposés enrobés de cuivre électriquement conducteur et d'électrolyte polymère conducteur d'ions dans une anode. Le matériau donne aux nanofils l'espace nécessaire pour croître et rétrécir selon les besoins, ce qui prolonge leur utilité. L'électrolyte sert également d'espaceur efficace entre l'anode et la cathode.
Transformer les déchets en batteries doit être un processus évolutif, dit Ajayan, Rice's M. et Mary Greenwood Anderson Professeur en génie mécanique et science des matériaux et en chimie. Les chercheurs espèrent que leurs appareils sont une étape vers une nouvelle génération de flexibles, efficace, batteries bon marché qui peuvent se conformer à n'importe quelle forme.
Co-auteurs principaux Arava Leela Mohana Reddy, un chercheur scientifique sur le riz, et Alexandru Vlad, ancien chercheur associé à Rice et maintenant chercheur postdoctoral à l'Université catholique de Louvain, ont pu extraire plusieurs couches du composite anode/électrolyte d'une seule plaquette mise au rebut. Des échantillons du matériau fabriqué chez Rice ressemblent à des bandes de ruban adhésif blanc ou à des bandages.
Arava Leela Mohana Reddy, chercheur à l'Université Rice, tient des bandes de matériau d'anode et un morceau de déchets de silicium (à gauche). Des chercheurs de Rice et de Belgique ont trouvé un moyen de recycler le silicium en anodes flexibles pour les batteries lithium-ion. Crédit :Jeff Fitlow, Université du riz
Ils ont utilisé un processus établi, lithographie colloïdale de nanosphères, fabriquer un masque anticorrosion en silicium en étalant des billes de polystyrène en suspension dans un liquide sur une plaquette de silicium. Les billes de la plaquette se sont auto-assemblées en une grille hexagonale et sont restées en place lorsqu'elles ont été rétrécies chimiquement. Une fine couche d'or a été pulvérisée et le polystyrène enlevé, qui a laissé un fin masque d'or avec des trous régulièrement espacés sur le dessus de la plaquette. "Nous pourrions le faire sur des gaufrettes de la taille d'une pizza en un rien de temps, " dit Vlad.
Le masque a été utilisé dans la gravure chimique assistée par métal, dans lequel le silicium s'est dissous là où il a touché le métal. Au fil du temps dans un bain chimique, le catalyseur métallique s'enfoncerait dans le silicium et laisserait des millions de nanofils régulièrement espacés, 50 à 70 microns de long, en fouillant dans les trous.
Comme le silicium est dissous dans un bain chimique, un masque d'or coule au fond, laissant des nanofils de silicium d'environ 100 nanomètres de large piquer à travers les trous. Parce que le silicium contient jusqu'à 10 fois plus de lithium que l'anode dans une batterie lithium-ion typique, des chercheurs de l'Université Rice et en Belgique recherchent des moyens de recycler les déchets de silicium en composants de batterie fonctionnels. Crédit :Alexandru Vlad/Université Rice
Les chercheurs ont déposé une fine couche de cuivre sur les nanofils pour améliorer leur capacité à absorber le lithium, puis ont infusé le réseau avec un électrolyte qui non seulement transportait des ions vers les nanofils, mais servait également de séparateur entre l'anode et une cathode appliquée ultérieurement.
"La gravure n'est pas un nouveau procédé, " a déclaré Reddy. "Mais le goulot d'étranglement pour les applications de batterie avait toujours été de retirer les nanofils de la plaquette de silicium parce que pur, les nanofils autoportants s'effritent rapidement." L'électrolyte engloutit le réseau de nanofils dans une matrice flexible et facilite son retrait facile. "Nous le touchons simplement avec la lame de rasoir et il se décolle tout de suite, " dit-il. Le masque est laissé sur la plaquette non perturbée pour graver une nouvelle anode.
Lorsqu'il est combiné avec un collecteur de courant pulvérisé d'un côté et une cathode et un collecteur de courant de l'autre, la batterie résultante était prometteuse car elle délivrait 150 milliampères-heures par gramme avec peu de décroissance sur 50 cycles de charge/décharge. Les chercheurs s'efforcent d'améliorer ces qualités et de tester les anodes dans des configurations de batterie standard.
« La nouveauté de l'approche réside dans sa simplicité inhérente, " a déclaré Reddy. " Nous espérons que le processus actuel fournira une solution pour la gestion des déchets électroniques en permettant une nouvelle vie aux puces de silicium. "
