«В природе большое количество микроорганизмов, таких как диатомовые водоросли, могут собирать биоминералы в сложные иерархические трехмерные архитектуры с большим структурным контролем над масштабами длины от нано до миллиметра», – объясняет Сюй Ли, возглавляющий исследовательскую группу в A * STAR. Институт материаловедения и инженерии. "Эти организмы содержат органические макромолекулы, которые можно использовать в качестве шаблонов, чтобы вызвать и направить точное осаждение строительных блоков кремнезема с образованием сложных структур."
Это природное явление вдохновило Ли и его коллег на разработку биомиметических стратегий, основанных на самоорганизующихся молекулярных шаблонах, для производства иерархических углеродных материалов для использования в качестве анодных компонентов батарей. Эти материалы содержат мезопоры, которые образуют взаимосвязанную сеть каналов внутри углеродных сфер, и имеют микропористую поверхность (см. Изображение). Эти трехмерные элементы способствуют переносу ионов и высокой емкости хранения в углеродных сферах.
Ли и его команда использовали органические макромолекулы, совокупность полимеров и кобальтсодержащих молекул, в качестве шаблонов для создания взаимосвязанных мезопор – аналогично тому, как диатомовые водоросли создают свою кремнистую структуру. Углеродный каркас сфер образован из колец молекул сахара, которые прикрепляются к подвесным полимерным цепям и образуют «мягкие» углеродные сферы после гидротермальной обработки. Пиролиз заставляет частицы кобальта катализировать процесс графитации, создавая “ твердые ” углеродные сферы. Если мочевина добавляется перед пиролизом, получаются графитовые углеродные шарики, легированные азотом. «Углеродные сферы можно приготовить только в лабораторных масштабах, однако мы оптимизируем синтетические условия для увеличения масштабов производства», – говорит Ли.
Затем Ли и его коллеги протестировали углеродные сферы в качестве анодов в литий-ионных батареях. Батареи показали высокую обратимую емкость, хорошую стабильность при работе и выдающуюся производительность. Даже при увеличении плотности тока в 600 раз сохраняется 57% исходной емкости. Углеродные сферы, легированные азотом, обладают более высокой обратимой емкостью из-за более легкого переноса ионов и электронов внутри легированных углеродных сфер.
«Эти результаты являются одними из лучших на сегодняшний день по сравнению с чистыми углеродными материалами», – говорит Ли. «Мы предполагаем, что батареи, состоящие из этих анодных материалов, можно будет заряжать быстрее, чем батареи, изготовленные с использованием обычных углеродных материалов», – добавляет он. Следующим этапом исследований является расширение применения этих материалов для других систем хранения или преобразования энергии, а также для других электрохимических применений, таких как электрокатализ.
Аффилированные с A * STAR исследователи, участвующие в этом исследовании, представляют Институт исследования материалов и инженерии.