Los científicos de A * STAR se han basado en la naturaleza para un avance que mejora significativamente el rendimiento electroquímico de las baterías de iones de litio. Los investigadores han desarrollado esferas de carbono porosas jerárquicas que se utilizarán como ánodos después de inspirarse en la formación de plantillas de algas unicelulares o 'diatomeas'.

"En naturaleza, una gran cantidad de microorganismos, como diatomeas, puede ensamblar biominerales en arquitecturas tridimensionales jerárquicas intrincadas con un gran control estructural sobre escalas de longitud nanométrica a milimétrica, "explica Xu Li, quien dirige el equipo de investigación del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales. "Estos organismos contienen macromoléculas orgánicas, que se pueden utilizar como plantillas para inducir y dirigir la precipitación precisa de bloques de construcción de sílice para formar estructuras complejas ".

Este fenómeno natural inspiró a Li y sus colegas a desarrollar estrategias biomiméticas basadas en plantillas moleculares autoensambladas para producir materiales de carbono jerárquicos para su uso como componentes anódicos de baterías. Estos materiales contienen mesoporos, que forman una red interconectada de canales dentro de las esferas de carbono, y tener una superficie microporosa (ver imagen). Estas características tridimensionales promueven el transporte de iones y una alta capacidad de almacenamiento dentro de las esferas de carbono.

Li y el equipo utilizaron macromoléculas orgánicas, un agregado de polímeros y moléculas que contienen cobalto, como plantillas para hacer los mesoporos interconectados, de manera similar a como las diatomeas crean su estructura silícea. El andamio de carbono de las esferas se deriva de anillos de moléculas de azúcar, que se enroscan en las cadenas de polímero colgantes y forman esferas de carbono "blandas" después del tratamiento hidrotermal. La pirólisis hace que una especie de cobalto catalice el proceso de grafitización, creando las esferas de carbono "duras". Si se agrega urea antes de la pirólisis, Se fabrican esferas de carbono grafítico dopado con nitrógeno. "Las esferas de carbono solo se pueden preparar a escala de laboratorio, sin embargo, estamos optimizando las condiciones sintéticas para ampliar la fabricación, "dice Li.

Próximo, Li y sus colaboradores probaron las esferas de carbono como ánodos en baterías de iones de litio. Las baterías mostraron una alta capacidad reversible, buena estabilidad de ciclismo y excelente rendimiento de alta velocidad. Incluso cuando la densidad de corriente aumenta 600 veces, Se conserva el 57 por ciento de la capacidad original. Las esferas de carbono dopadas con nitrógeno tienen una mayor capacidad reversible debido a un transporte más fácil de iones y electrones dentro de las esferas de carbono dopadas.

"Estos resultados se encuentran entre los mejores resultados hasta la fecha en comparación con los materiales de carbono puro, ", dice Li." Prevemos que las baterías compuestas de estos materiales de ánodo podrían cargarse más rápido que las fabricadas con materiales de carbono convencionales, ", agrega. La siguiente etapa de la investigación es extender la aplicación de estos materiales a otros sistemas de almacenamiento o conversión de energía, y otras aplicaciones electroquímicas, como la electrocatálisis.