Gli scienziati di A*STAR hanno attinto dalla natura per un'innovazione che migliora significativamente le prestazioni elettrochimiche delle batterie agli ioni di litio. I ricercatori hanno sviluppato sfere di carbonio porose gerarchiche da utilizzare come anodi dopo essere stati ispirati dalla formazione di modelli di alghe unicellulari o "diatomee".

"In natura, un gran numero di microrganismi, come diatomee, può assemblare biominerali in intricate architetture tridimensionali gerarchiche con un grande controllo strutturale su scale di lunghezza da nanometriche a millimetriche, " spiega Xu Li, che dirige il team di ricerca presso l'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering. "Questi organismi contengono macromolecole organiche, che possono essere usati come modelli per indurre e dirigere la precisa precipitazione dei mattoni di silice per formare le strutture complesse".

Questo fenomeno naturale ha ispirato Li e colleghi a sviluppare strategie biomimetiche basate su modelli molecolari autoassemblati per produrre materiali di carbonio gerarchici da utilizzare come componenti anodici delle batterie. Questi materiali contengono mesopori, che formano una rete interconnessa di canali all'interno delle sfere di carbonio, e hanno una superficie microporosa (vedi immagine). Queste caratteristiche tridimensionali promuovono il trasporto di ioni e un'elevata capacità di stoccaggio all'interno delle sfere di carbonio.

Li e il team hanno utilizzato macromolecole organiche, un aggregato di polimeri e molecole contenenti cobalto, come modelli per creare i mesopori interconnessi, in modo simile alle diatomee che creano la loro struttura silicea. L'impalcatura di carbonio delle sfere è derivata da anelli di molecole di zucchero, che si infilano nelle catene polimeriche pendenti e formano sfere di carbonio "morbide" dopo il trattamento idrotermale. La pirolisi fa sì che una specie di cobalto catalizza il processo di grafitizzazione, creando le sfere di carbonio "duro". Se l'urea viene aggiunta prima della pirolisi, vengono realizzate sfere di carbonio grafitico drogato con azoto. "Le sfere di carbonio possono essere preparate solo su scala di laboratorio, però, stiamo ottimizzando le condizioni sintetiche per aumentare la fabbricazione, "dice Li.

Prossimo, Li e collaboratori hanno testato le sfere di carbonio come anodi nelle batterie agli ioni di litio. Le batterie hanno mostrato un'elevata capacità reversibile, buona stabilità in bicicletta e prestazioni eccezionali ad alto tasso. Anche quando la densità di corrente viene aumentata di 600 volte, Viene mantenuto il 57 per cento della capacità originaria. Le sfere di carbonio drogate con azoto hanno una maggiore capacità reversibile a causa del trasporto più facile di ioni ed elettroni all'interno delle sfere di carbonio drogate.

"Questi risultati sono tra i migliori risultati fino ad oggi rispetto ai materiali in carbonio puro, ", afferma Li. "Prevediamo che le batterie composte da questi materiali anodici possano essere caricate più velocemente di quelle fabbricate utilizzando materiali convenzionali in carbonio, " aggiunge. La fase successiva della ricerca è quella di estendere l'applicazione di questi materiali ad altri sistemi di accumulo o conversione di energia, e altre applicazioni elettrochimiche, come l'elettrocatalisi.