新加坡科学、技术及研究机构（A*STAR）从大自然中获得了一项突破，大大提高了锂离子电池的电化学性能。研究人员利用单细胞藻类或硅藻作为模板，生物仿生制得了分级多孔碳球，并将其作为锂离子电池负极。

   “自然界中存在大量的微生物，比如硅藻，它们可以将生物矿物组装成复杂的分级三维结构，且很好的将结构控制成纳米至毫米的尺度上。” A*STAR材料研究与工程研究所的研究团队负责人Xu Li说，“这些生物体包含有机大分子，可以作为模板诱导和直接精确的沉淀二氧化硅，从而形成复杂结构。”

 
   Li等人受这种自然现象启发，发展了基于自组装分子模板的仿生策略，制备多孔分级碳材料，并将其用作锂离子电池负极材料。这些材料中含有孔，形成一个通道互联网络，且具有微米级的多孔表面。这种三维结构促进了离子的输运，提高了电池容量。

 
   Li等人采用有机大分子（聚合物与含钴分子的聚集体）作为模板制成相互连接的多孔——类似于硅藻创造硅质结构的方式。球体的碳支架由多糖分子环构成，穿插在聚合物支链上，水热处理后形成“软”碳球。高温分解出的钴可以催化石墨化过程，形成“硬”碳球。在热分解前加入尿素，可形成氮掺杂的石墨碳球。“然而，这种碳 球只能是实验室规模的生产，我们正在优化合成条件，以扩大生产。”Li如是说。

 
   接下来，Li等人测试了以碳球为负极的锂离子电池。这种电池具有高可逆容量、良好的循环稳定性以及优异的高速率性能。即使是电流密度增加600倍，仍然可以保持原有容量的57%。氮掺杂的碳球具有更高的可逆容量，这是因为对碳球进行掺杂，使其更有利于离子和电子的输运。

   “相比于纯碳材料而言，这些结果是最好的。”Li说，“我们认为，相比于采用传统碳材料制成的电池，这种负极材料制成的电池具有更快的充电速率。”下一阶段的研究准备将这些材料应用到其他储能或转换系统上，以及其他的电化学应用，比如说电催化。

   该研究由A*STAR下属的材料研究与工程研究所进行。

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