p Os cientistas da A * STAR recorreram à natureza para uma descoberta que aprimora significativamente o desempenho eletroquímico das baterias de íons de lítio. Os pesquisadores desenvolveram esferas de carbono porosas hierárquicas para serem usadas como ânodos após serem inspirados pela formação modelada de algas unicelulares ou 'diatomáceas'. p "Na natureza, um grande número de microorganismos, como diatomáceas, pode montar biominerais em arquiteturas tridimensionais hierárquicas intrincadas com grande controle estrutural em escalas de comprimento de nano a milímetros, "explica Xu Li, que chefia a equipe de pesquisa do Instituto A * STAR de Pesquisa e Engenharia de Materiais. "Esses organismos contêm macromoléculas orgânicas, que podem ser usados ​​como modelos para induzir e direcionar a precipitação precisa de blocos de construção de sílica para formar as estruturas complexas. "

p Este fenômeno natural inspirou Li e seus colegas a desenvolver estratégias biomiméticas baseadas em modelos moleculares automontados para produzir materiais de carbono hierárquicos para uso como componentes anódicos de baterias. Esses materiais contêm mesoporos, que formam uma rede interconectada de canais dentro das esferas de carbono, e têm uma superfície microporosa (ver imagem). Essas características tridimensionais promovem o transporte de íons e alta capacidade de armazenamento dentro das esferas de carbono.

p Li e a equipe usaram macromoléculas orgânicas, um agregado de polímeros e moléculas contendo cobalto, como modelos para fazer os mesoporos interconectados - de uma maneira semelhante que as diatomáceas criam sua estrutura siliciosa. O andaime de carbono das esferas é derivado de anéis de moléculas de açúcar, que se enroscam nas cadeias de polímero pendentes e formam esferas de carbono "macias" após o tratamento hidrotérmico. A pirólise faz com que uma espécie de cobalto catalise o processo de grafitização, criando as esferas de carbono "duras". Se a uréia for adicionada antes da pirólise, esferas de carbono grafítico dopadas com nitrogênio são feitas. “As esferas de carbono só podem ser preparadas em escala de laboratório, Contudo, estamos otimizando as condições sintéticas para aumentar a fabricação, "diz Li.

p Próximo, Li e seus colegas testaram as esferas de carbono como ânodos em baterias de íon-lítio. As baterias mostraram alta capacidade reversível, boa estabilidade de ciclismo e excelente desempenho de alto desempenho. Mesmo quando a densidade da corrente é aumentada 600 vezes, 57 por cento da capacidade original é retida. As esferas de carbono dopadas com nitrogênio têm uma capacidade reversível mais alta devido ao transporte mais fácil de íons e elétrons dentro das esferas de carbono dopadas.

p "Esses resultados estão entre os melhores resultados até hoje em comparação com materiais de carbono puro, "diz Li." Prevemos que as baterias compostas desses materiais anódicos possam ser carregadas mais rapidamente do que as fabricadas com materiais convencionais de carbono, ", acrescenta. A próxima etapa da pesquisa é estender a aplicação desses materiais a outros sistemas de armazenamento ou conversão de energia, e outras aplicações eletroquímicas, como eletrocatálise.