模拟生物过程有助于改进锂离子电池

来自巴尔的摩马里兰大学(UMBC)的研究人员已经利用天然材料的能量来制造更好的锂离子电池。亚博网站下载

该研究小组分离出了一种肽，这种肽具有与纳米级锂锰镍氧化物(LMNO)颗粒紧密结合的能力。yabo214这种材料可以用来制造高性能电池的阴极组件。

这种肽是一种生物分子，它与纳米级的LMNO粒子结合，然后将这些粒子连接到电池电极的导电组件上。yabo214这提高了电极的潜在稳定性和功率。

生物学为我们解决重要问题提供了几种工具。通过模拟生物过程，我们可以找到更好的解决方案。

Evgenia Barannikova, UMBC的研究生

由于纳米级材料的尺寸亚博网站下载太小，它们通常很难处理——操纵它们甚至将它们固定在合适的位置都不是件容易的事。

然而，与大块材料电极相比，锂离子电池中的纳米结构电极具有许多优点。它们有一个大的表面积，使得电化学反应能发生更多的活性位点，而且携带电荷的粒子只需移动更短的距离。yabo214这些特性使得电池寿命更长，重量也相对较轻。

Barannikova和她的同事利用多肽来解决纳米级制造的挑战。肽是自然产生的，由更小的氨基酸分子链组成。

根据其氨基酸序列，多肽能够与各种类型的有机和无机材料结合。亚博网站下载在人体中，这些肽发挥着多种作用，如调节血糖和大脑信号传导。胰岛素和其他激素是由多肽组成的。

多功能结合肽将分散的碳纳米管与锂锰镍氧化物颗粒结合。yabo214信贷:Evgenia Barannikova / UMBC

Barannikova指出，软体动物和其他类似生物使用多肽来控制外壳生长的方式是激发她研究的其他因素之一。软体动物在用碳酸钙和其他无机材料构建复杂的纳米和宏观结构时表现出惊人的控制力。亚博网站下载

研究小组遵循了软体动物的方法，然而，为了找到合适的肽，他们不得不利用一些实验室的魔法。这是因为蜗牛不使用锂锰镍氧化物来制造外壳。

为了找到一种能与锂锰镍氧化物紧密结合的肽，研究人员利用“噬菌体展示”程序筛选了超过10亿种可能的肽。一家实验室供应公司商业化生产了一个“肽库”，研究人员从中选择他们的肽。这个“肽库”包含大量随机组合的氨基酸序列，并与M13噬菌体病毒产生的蛋白质结合。

研究小组将“肽库”和金属氧化物样品结合，以分离出具有与锂锰镍氧化物结合能力的肽。不粘在锂锰镍氧化物上的多肽被冲走了。然后，新发现的肽与之前分离的肽结合，并能与碳纳米管结合。在锂离子电极中，碳纳米管可以作为导电纳米线。

在这个过程中形成的肽可以形成一座桥，它可以与碳纳米管和锂锰氧化镍纳米颗粒结合，并使它们彼此靠近，从而在多次充电循环中保持连接。yabo214研究人员认为，高度组织的纳米结构的维护将有助于提高未来锂离子电池的寿命、循环稳定性和功率，同时允许它们的尺寸更小。

目前，研究人员正在测试这种新型阴极的性能。Barannikova打算用类似的技术制造一种阳极，然后将两种组件结合起来。“我希望在我的博士论文中展示整个生物模板电池，”她说。

在马里兰州巴尔的摩举行的第59届生物物理学会年会上，研究人员以题为“固体结合肽作为锂离子电池电极的生物模板”的海报展示了他们的研究结果。

来源:http://www.biophysics.org