Les scientifiques d'A*STAR se sont appuyés sur la nature pour une percée qui améliore considérablement les performances électrochimiques des batteries lithium-ion. Les chercheurs ont développé des sphères de carbone poreuses hiérarchiques à utiliser comme anodes après s'être inspirés de la formation de modèles d'algues unicellulaires ou «diatomées».

"Dans la nature, un grand nombre de micro-organismes, comme les diatomées, peut assembler des biominéraux dans des architectures tridimensionnelles hiérarchiques complexes avec un grand contrôle structurel sur des échelles de longueur nanométriques à millimétriques, " explique Xu Li, qui dirige l'équipe de recherche de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR. « Ces organismes contiennent des macromolécules organiques, qui peuvent être utilisés comme modèles pour induire et diriger la précipitation précise des blocs de construction de silice pour former les structures complexes."

Ce phénomène naturel a inspiré Li et ses collègues à développer des stratégies biomimétiques basées sur des modèles moléculaires auto-assemblés pour produire des matériaux carbonés hiérarchiques à utiliser comme composants anodiques des batteries. Ces matériaux contiennent des mésopores, qui forment un réseau interconnecté de canaux au sein des sphères carbonées, et ont une surface microporeuse (voir image). Ces caractéristiques tridimensionnelles favorisent le transport des ions et une capacité de stockage élevée dans les sphères de carbone.

Li et l'équipe ont utilisé des macromolécules organiques, un agrégat de polymères et de molécules contenant du cobalt, comme modèles pour fabriquer les mésopores interconnectés, de la même manière que les diatomées créent leur structure siliceuse. L'échafaudage de carbone des sphères est dérivé d'anneaux de molécules de sucre, qui s'enfilent sur les chaînes polymères pendantes et forment des sphères de carbone « souples » après traitement hydrothermal. La pyrolyse amène une espèce de cobalt à catalyser le processus de graphitisation, créant les sphères de carbone « dur ». Si l'urée est ajoutée avant la pyrolyse, des sphères de carbone graphitique dopé à l'azote sont réalisées. "Les sphères de carbone ne peuvent être préparées qu'à l'échelle du laboratoire, cependant, nous optimisons les conditions de synthèse pour augmenter la fabrication, " dit Li.

Prochain, Li et ses collègues ont testé les sphères de carbone comme anodes dans les batteries lithium-ion. Les batteries ont montré une capacité réversible élevée, bonne stabilité de cyclisme et performances exceptionnelles à haut débit. Même lorsque la densité de courant est multipliée par 600, 57 pour cent de la capacité d'origine sont conservés. Les sphères de carbone dopées à l'azote ont une capacité réversible plus élevée en raison d'un transport plus facile des ions et des électrons dans les sphères de carbone dopées.

"Ces résultats sont parmi les meilleurs rendements à ce jour par rapport aux matériaux en carbone pur, " dit Li. "Nous envisageons que les batteries composées de ces matériaux d'anode pourraient être chargées plus rapidement que celles fabriquées à l'aide de matériaux de carbone conventionnels, " ajoute-t-il. La prochaine étape de la recherche est d'étendre l'application de ces matériaux à d'autres systèmes de stockage ou de conversion d'énergie, et d'autres applications électrochimiques, comme l'électrocatalyse.