低调的蜗牛壳启发了更好的电池

科学家正在利用生物学来改善锂离子电池的性能。马里兰大学巴尔的摩分校(UMBC)的研究人员已经分离出一种生物分子肽，它与锂锰镍氧化物(LMNO)结合得很强，这种材料可用于制造高性能电池的阴极。该肽可以锁定在LMNO的纳米尺寸颗粒上并将它们连接到电池电极的导电组件，从而改善电极的潜在功率和稳定性。

研究人员将于2月7日至11日在马里兰州巴尔的摩举行的第59届生物物理学会年会上展示他们的研究结果。

“生物学为我们提供了解决重要问题的几种工具，”UMBC的研究生Evgenia Barannikova说。Barannikova在Mark Allen的实验室工作，研究生物分子如何改善电池中无机材料的性质。“通过模仿生物过程，我们可以找到更好的解决方案，”她说。

电池研究人员目前面临的一个问题是难以使用纳米级材料，由于它们的超小尺寸可能难以控制并保持在原位。然而，使用纳米材料的挫折是值得克服的。锂离子电池中的纳米结构电极与散装材料电极相比具有多个优点，包括带电粒子行进的距离更短以及高表面积，从而为电化学反应提供更多活性位点 - 所有这些都转化为电池更轻，更持久。

为了应对纳米尺度制造的挑战，Barannikova和她的同事们已经转向寻求称为肽的生物分子的帮助。它们由称为氨基酸的分子串组成，肽是天然存在的，并且根据它们的氨基酸序列与许多不同类型的有机和无机材料结合。它们在人体中发挥着许多作用，从大脑的信号传递到调节血糖，一些药物，如胰岛素，由多肽组成。

巴兰尼科娃说，她的研究灵感之一就是软体动物等生物利用多肽来控制贝壳生长的方式。她说，他们表现出非凡的控制能力，以便从碳酸钙等无机材料中建立复杂的纳米和宏观结构。

研究人员借用了软体动物的一般方法，但不得不采用一些实验室工作台技术来寻找合适的肽。毕竟，没有蜗牛用锂锰氧化镍制成它的外壳。

Barannikova及其同事使用一种称为“噬菌体展示”的方法来筛选超过10亿种可能的肽，以寻找能够强烈依赖锂锰氧化镍的肽。研究人员搜索的“肽库”是由实验室供应公司商业生产的，并含有大量随机组合的氨基酸序列，这些氨基酸序列掺入由称为M13噬菌体的病毒制成的蛋白质中。

研究人员通过将文库与金属氧化物样品结合，然后反复洗去不粘附于其上的肽，分离出与锂锰镍氧化物结合的肽。然后研究人员将新发现的肽与先前分离出的与碳纳米管结合的肽结合起来。碳纳米管可用作锂离子电极中的导电纳米线。

然后，所得肽可以形成桥，与锂锰镍氧化物纳米颗粒和碳纳米管结合并使它们彼此靠近，使得它们可以通过多次充电循环保持连接。通过帮助维持纳米尺度的高度组织化架构，研究人员预计它们的多肽将改善未来锂离子电池的功率和循环稳定性，从而使它们更小并保持更长的使用寿命。

该团队目前正在测试新阴极的性能。展望未来，Barannikova计划采用类似技术制造阳极并整合两种组件。“我希望在我的博士论文中展示一个完整的生物模型电池，”她说。

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