A*STAR-forskare har dragit nytta av naturen för ett genombrott som avsevärt förbättrar den elektrokemiska prestandan hos litiumjonbatterier. Forskarna har utvecklat hierarkiska porösa kolsfärer för att användas som anoder efter att ha inspirerats av mallbildningen av encelliga alger eller "kiselalger".

"I naturen, ett stort antal mikroorganismer, som kiselalger, kan sätta samman biomineraler till invecklade hierarkiska tredimensionella arkitekturer med stor strukturell kontroll över nano- till millimeterlängdsskalor, " förklarar Xu Li, som leder forskargruppen vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering. "Dessa organismer innehåller organiska makromolekyler, som kan användas som mallar för att inducera och styra den exakta utfällningen av kiseldioxidbyggstenar för att bilda de komplexa strukturerna."

Detta naturfenomen inspirerade Li och kollegor att utveckla biomimetiska strategier baserade på självmonterade molekylära mallar för att producera hierarkiska kolmaterial för användning som anodiska komponenter i batterier. Dessa material innehåller mesoporer, som bildar ett sammankopplat nätverk av kanaler inom kolsfärerna, och har en mikroporös yta (se bild). Dessa tredimensionella egenskaper främjar jontransport och hög lagringskapacitet inom kolsfärerna.

Li och teamet använde organiska makromolekyler, ett aggregat av polymerer och kobolthaltiga molekyler, som mallar för att göra de sammankopplade mesoporerna - på ett liknande sätt som kiselalger skapar sin kiselhaltiga struktur. Kulornas kolställningar kommer från ringar av sockermolekyler, som träs på de hängande polymerkedjorna och bildar "mjuka" kolsfärer efter hydrotermisk behandling. Pyrolys får en koboltart att katalysera grafitiseringsprocessen, skapar de "hårda" kolsfärerna. Om urea tillsätts före pyrolys, kvävedopade grafitkolsfärer tillverkas. "Kolsfärerna kan bara förberedas i laboratorieskala, dock, vi optimerar de syntetiska förhållandena för att skala upp tillverkningen, säger Li.

Nästa, Li och medarbetare testade kolsfärerna som anoder i litiumjonbatterier. Batterierna visade hög reversibel kapacitet, bra cykelstabilitet och enastående högprestanda. Även när strömtätheten ökas 600 gånger, 57 procent av den ursprungliga kapaciteten behålls. De kvävedopade kolsfärerna har en högre reversibel kapacitet på grund av enklare transport av joner och elektroner inom de dopade kolsfärerna.

"Dessa resultat är bland de bästa resultaten hittills jämfört med rena kolmaterial, " säger Li. "Vi föreställer oss att batterier som består av dessa anodmaterial kan laddas snabbare än de som tillverkas med konventionella kolmaterial, " tillägger han. Nästa steg i forskningen är att utöka tillämpningen av dessa material till andra energilagrings- eller omvandlingssystem, och andra elektrokemiska tillämpningar, såsom elektrokatalys.