Bioinspirerede carbonanoder muliggør høj ydeevne i lithium-ion-batterier

A*STAR-forskere har trukket på naturen for et gennembrud, der markant forbedrer den elektrokemiske ydeevne af lithium-ion-batterier. Forskerne har udviklet hierarkiske porøse kulstofkugler til at blive brugt som anoder efter at være blevet inspireret af skabelondannelsen af ​​encellede alger eller 'kiselalger'.

"I naturen, et stort antal mikroorganismer, som kiselalger, kan samle biomineraler til indviklede hierarkiske tredimensionelle arkitekturer med stor strukturel kontrol over nano- til millimeterlængdevægte, " forklarer Xu Li, der leder forskerteamet ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering. "Disse organismer indeholder organiske makromolekyler, som kan bruges som skabeloner til at inducere og dirigere den præcise udfældning af silicabyggesten til at danne de komplekse strukturer."

Dette naturlige fænomen inspirerede Li og kolleger til at udvikle biomimetiske strategier baseret på selvsamlede molekylære skabeloner til at producere hierarkiske kulstofmaterialer til brug som anodiske komponenter i batterier. Disse materialer indeholder mesoporer, som danner et indbyrdes forbundet netværk af kanaler inden for kulstofsfærerne, og har en mikroporøs overflade (se billede). Disse tredimensionelle egenskaber fremmer iontransport og høj lagerkapacitet i kulstofkuglerne.

Li og holdet brugte organiske makromolekyler, et aggregat af polymerer og koboltholdige molekyler, som skabeloner til at lave de indbyrdes forbundne mesoporer - på en lignende måde som diatomer skaber deres kiselholdige struktur. Kulernes stilladser fra kuglerne stammer fra ringe af sukkermolekyler, som trænger sig på de vedhængende polymerkæder og danner 'bløde' kulstofkugler efter hydrotermisk behandling. Pyrolyse får en koboltart til at katalysere grafitiseringsprocessen, skabe de 'hårde' kulstofsfærer. Hvis urinstof tilsættes før pyrolyse, der laves nitrogen-doterede grafitiske kulstofkugler. "Kulstofkuglerne kan kun fremstilles i laboratorieskala, imidlertid, vi optimerer de syntetiske betingelser for at opskalere fremstillingen, " siger Li.

Næste, Li og kolleger testede kulstofkuglerne som anoder i lithium-ion-batterier. Batterierne viste høj reversibel kapacitet, god cykelstabilitet og enestående høj ydelse. Selv når strømtætheden øges 600 gange, 57 procent af den oprindelige kapacitet bevares. De nitrogen-doterede kulstofkugler har en højere reversibel kapacitet på grund af mere let transport af ioner og elektroner i de doterede kulstofkugler.

"Disse resultater er blandt de bedste resultater til dato sammenlignet med rene kulstofmaterialer, " siger Li. "Vi forestiller os, at batterier sammensat af disse anodematerialer kan oplades hurtigere end dem, der er fremstillet ved hjælp af konventionelle kulstofmaterialer, "tilføjer han. Den næste fase af forskningen er at udvide anvendelsen af ​​disse materialer til andre energilagrings- eller konverteringssystemer, og andre elektrokemiske anvendelser, såsom elektrokatalyse.