新加坡科學、技術及研究機構（A*STAR）從大自然中獲得了一項突破，大大提高了鋰離子電池的電化學性能。研究人員利用單細胞藻類或硅藻作為模板，生物仿生制得了分級多孔碳球，并將其作為鋰離子電池負極。

   “自然界中存在大量的微生物，比如硅藻，它們可以將生物礦物組裝成復雜的分級三維結構，且很好的將結構控制成納米至毫米的尺度上。” A*STAR材料研究與工程研究所的研究團隊負責人Xu Li說，“這些生物體包含有機大分子，可以作為模板誘導和直接精確的沉淀二氧化硅，從而形成復雜結構。”

 
   Li等人受這種自然現象啟發(fā)，發(fā)展了基于自組裝分子模板的仿生策略，制備多孔分級碳材料，并將其用作鋰離子電池負極材料。這些材料中含有孔，形成一個通道互聯(lián)網絡，且具有微米級的多孔表面。這種三維結構促進了離子的輸運，提高了電池容量。

 
   Li等人采用有機大分子（聚合物與含鈷分子的聚集體）作為模板制成相互連接的多孔——類似于硅藻創(chuàng)造硅質結構的方式。球體的碳支架由多糖分子環(huán)構成，穿插在聚合物支鏈上，水熱處理后形成“軟”碳球。高溫分解出的鈷可以催化石墨化過程，形成“硬”碳球。在熱分解前加入尿素，可形成氮摻雜的石墨碳球。“然而，這種碳 球只能是實驗室規(guī)模的生產，我們正在優(yōu)化合成條件，以擴大生產。”Li如是說。

 
   接下來，Li等人測試了以碳球為負極的鋰離子電池。這種電池具有高可逆容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的高速率性能。即使是電流密度增加600倍，仍然可以保持原有容量的57%。氮摻雜的碳球具有更高的可逆容量，這是因為對碳球進行摻雜，使其更有利于離子和電子的輸運。

   “相比于純碳材料而言，這些結果是最好的。”Li說，“我們認為，相比于采用傳統(tǒng)碳材料制成的電池，這種負極材料制成的電池具有更快的充電速率。”下一階段的研究準備將這些材料應用到其他儲能或轉換系統(tǒng)上，以及其他的電化學應用，比如說電催化。

   該研究由A*STAR下屬的材料研究與工程研究所進行。

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