A*STAR-wetenschappers hebben gebruik gemaakt van de natuur voor een doorbraak die de elektrochemische prestaties van lithium-ionbatterijen aanzienlijk verbetert. De onderzoekers hebben hiërarchische poreuze koolstofbollen ontwikkeld die als anodes kunnen worden gebruikt, nadat ze zich hadden laten inspireren door de sjabloonvorming van eencellige algen of 'diatomeeën'.

"In de natuur, een groot aantal micro-organismen, zoals diatomeeën, kan biomineralen assembleren tot ingewikkelde hiërarchische driedimensionale architecturen met grote structurele controle over lengteschalen van nano tot millimeter, " legt Xu Li uit, die aan het hoofd staat van het onderzoeksteam van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering. "Deze organismen bevatten organische macromoleculen, die kunnen worden gebruikt als sjablonen om de precieze precipitatie van silica-bouwstenen te induceren en te sturen om de complexe structuren te vormen."

Dit natuurlijke fenomeen inspireerde Li en collega's om biomimetische strategieën te ontwikkelen op basis van zelf-geassembleerde moleculaire sjablonen om hiërarchische koolstofmaterialen te produceren voor gebruik als anodische componenten van batterijen. Deze materialen bevatten mesoporiën, die een onderling verbonden netwerk van kanalen vormen binnen de koolstofbollen, en hebben een microporeus oppervlak (zie afbeelding). Deze driedimensionale kenmerken bevorderen het ionentransport en de hoge opslagcapaciteit in de koolstofbollen.

Li en het team gebruikten organische macromoleculen, een aggregaat van polymeren en kobalthoudende moleculen, als sjablonen om de onderling verbonden mesoporiën te maken - op een vergelijkbare manier waarop diatomeeën hun kiezelachtige structuur creëren. De koolstofsteiger van de bollen is afgeleid van ringen van suikermoleculen, die zich vasthechten aan de hangende polymeerketens en na hydrothermische behandeling 'zachte' koolstofbollen vormen. Pyrolyse zorgt ervoor dat een kobaltsoort het grafitiseringsproces katalyseert, het creëren van de 'harde' koolstofbollen. Als ureum wordt toegevoegd vóór pyrolyse, met stikstof gedoteerde grafietkoolstofbolletjes worden gemaakt. "De koolstofbollen kunnen alleen op laboratoriumschaal worden bereid, echter, we optimaliseren de synthetische omstandigheden om fabricage op te schalen, " zegt Li.

Volgende, Li en collega's testten de koolstofbollen als anodes in lithium-ionbatterijen. De batterijen vertoonden een hoge omkeerbare capaciteit, goede fietsstabiliteit en uitstekende prestaties op hoge snelheid. Zelfs wanneer de stroomdichtheid 600-voudig wordt verhoogd, 57 procent van de oorspronkelijke capaciteit blijft behouden. De met stikstof gedoteerde koolstofbollen hebben een hogere omkeerbare capaciteit vanwege een gemakkelijker transport van ionen en elektronen binnen de gedoteerde koolstofbollen.

"Deze resultaten behoren tot de beste resultaten tot nu toe in vergelijking met pure koolstofmaterialen, ", zegt Li. "We voorzien dat batterijen die zijn samengesteld uit deze anodematerialen sneller kunnen worden opgeladen dan batterijen die zijn vervaardigd met conventionele koolstofmaterialen, " voegt hij eraan toe. De volgende fase van het onderzoek is om de toepassing van deze materialen uit te breiden naar andere energieopslag- of conversiesystemen, en andere elektrochemische toepassingen, zoals elektrokatalyse.