محققان دانشگاه کیو در مجله Nano Select مقاله‌ای منتشر کردند که در آن نشان داده شده چگونه ضایعات سیلیکونی با استفاده از یک روش کارآمد و پایدار و با کمک تابش لیزر به مواد آند باتری تبدیل می‌شوند. انتظار می‌رود که نتایج این مقاله کاربردهای گسترده‌ای در تولید نیمه‌هادی‌ها و صنایع مرتبط با انرژی داشته باشد.
زباله‌های سیلیکونی برای تولید باتری استفاده می‌شوند
دانشمندان در حال کار بر روی افزایش ظرفیت و طول عمر باتری‌های لیتیوم یون هستند. یک روش برای دستیابی به این امر، تغییر آند از کربن به سیلیکون است. سیلیکون در اصل منجر به افزایش ظرفیت باتری می‌شود. با این حال، آندهای سیلیکونی به دلیل تمایل به انبساط در هنگام شارژ شدن، مشکل‌ساز هستند که در نهایت منجر به عمر کوتاه باتری می‌شود. کامپوزیت‌های سیلیکون-کربن (Si-C) به عنوان مواد آندی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. به طور خاص، ساختارهایی که به عنوان “نانوذرات هسته-پوسته Si-C” شناخته می‌شوند، برای استفاده در باتری امیدوارکننده بوده‌اند. این امر تقاضا برای روش‌های تولید کارآمد برای چنین ذرات را افزایش داده است.
در این پروژه، جیوانگ یان و همکارانش از دانشگاه کیو فرآیند تک‌تجهیز و تک مرحله‌ای را برای تولید نانوساختارهای Si-C در زمان کوتاه و با هزینه کم توسعه داده‌اند. این روش شامل تابش لیزر است و ممکن است منجر به تولید پایدار یک کلاس کامل از نانومواد کاربردی Si-C شود.
روش‌های پرتودهی لیزری نیاز به یک هدف خاص دارند. یان و همکارانش با مخلوط کردن پودر کربن و سیلیکون در ابعاد میکرومتری شروع کردند. پودر سیلیکون از زباله‌ای که در هنگام آسیاب ویفرهای سیلیکونی ایجاد می‌شود به دست آمد، در حالی که برای محتوای کربن، از پودر گرافیت تجاری در دسترس استفاده می‌شود. سپس مخلوط پودر Si-C به صورت قرص فشرده شد و نور لیزر به آن‌ها تابیده می‌شود که باعث تبخیر ذرات قرص می‌شود. بخار به شکل ستونی منبسط و منتشر می‌شود و پس از آن قطرات تشکیل شده و سپس به نانوذرات جامد تبدیل می‌شوند.
محققان با استفاده از تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی و روش‌های طیف‌سنجی، خصوصیات نانوذرات را مشخص کردند. تجزیه و تحلیل آن‌ها نشان داد که دو نوع نانوذرات هسته-پوسته تشکیل می‌شود. در نوع اول، هسته فقط از سیلیکون تشکیل شده است، در حالی که در نوع دیگر، مواد هسته سیلیکون کاربید (SiC) است. در هر دو مورد، پوسته اطراف فقط از کربن تشکیل شده بود.
دانشمندان همچنین از یک دوربین با سرعت بالا برای ثبت شکل‌گیری و تکامل ستون‌های تولید شده توسط تابش لیزر استفاده کردند. تصویربرداری به آن‌ها کمک کرد تا بفهمند نانوذرات پوسته هسته با چه دقتی شکل می‌گیرند. در مراحل اولیه فرآیند، نانوذرات Si و SiC (هسته‌ها) تولید می‌شوند. سپس از یک “ابر کربن” عبور می‌کنند که در ستون وجود دارد، که از طریق آن هسته‌ها یک پوشش کربنی (پوسته‌ها) می‌گیرند.
کار یان و همکاران نشان‌دهنده یک گام مهم رو به جلو در تولید پایدار مواد آند جدید است. نتایج این مطالعه یک راه‌حل سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه برای ساخت آندهای با کارایی بالا برای باتری‌های لیتیوم یونی آینده از زباله‌های صنعتی ارائه می‌دهد.
جیوانگ یان با شرکای صنعتی برای تبدیل این نتایج در مقیاس آزمایشگاهی به ساخت واقعی باتری‌های لیتیومی و سایر برنامه‌ها از جمله نمایشگرها و تصویربرداری زیستی دعوت کرده است.
