麻省理工学院AFM：气凝胶的遗传控制用于设计镍锰氧化物正极

气凝胶是一种超轻材料，有时被称为“冻结烟雾”，其性质由基质化学和孔结构决定。其超高比表面积和超低密度使其成为制造具有增强导电性和机械/热稳定性（碳纳米管、石墨烯、金属氧化物、二氧化硅等）纳米材料复合材料的理想支架。这些特性非常适用于电池组件，如正负极，气凝胶的分层多孔结构可有效地适应充放电过程中电极内的任何体积变化，这是传统电极无法实现的。因此，气凝胶已被探索用于许多电池。电池的性能取决于气凝胶的孔径、体积以及表面积，这由不同的合成条件控制，例如，酸浓度、溶剂和气体压力。气凝胶的基质结构可以通过互连880 nm长的M13噬菌体颗粒形成。理论上，改变噬菌体的特性会改变气凝胶基质，但是用目前的生产系统进行这种尝试会导致长度不均匀。

鉴于此，麻省理工学院Angela M. Belcher教授、 Christopher A. Voigt教授报道了一种噬菌体生产系统，该系统可产生长度精确可控的均匀噬菌体，并提供高通量方式，用于构建不同结构的气凝胶镍锰氧化物正极，以平衡对高容量（高度多孔）和机械强度（坚固的支架）的竞争需求。另外，从DNA构建到气凝胶合成的每个步骤都由自动化机器人完成。

文章亮点

1. 设计了一种产生窄长度分布的噬菌体系统，可以在50到2500 nm的范围内以 0.3 nm的增量进行调整，并且通过突变外壳蛋白，持续长度从14到68 nm不等。通过改变噬菌体的长度和刚度，可以控制孔隙率、电池性能和正极的机械强度。

2. 使用750 nm噬菌体的最佳噬菌体模板化Ni-MnOx正极具有≈120 mAh g-1的标称容量以及≈20 MPa的杨氏模量。与锂离子电池的其他正极相比，正极的容量具有竞争力。

3. 与生物方法相比，这种长度控制噬菌体在制造多孔纳米材料方面具有多项优势。与市售的聚合物颗粒或碳基纳米颗粒相比，它们具有更高的单分散性和均匀性。通过添加特定的肽，可以将各种金属离子或有机/无机材料均匀地附着在M13噬菌体的表面，从而可以很容易地改造噬菌体的蛋白质。此外，噬菌体很容易与其他材料交联形成丝状物，这使得在正极合成中不用添加任何添加剂。

图3 Ni-MnOx纳米泡沫正极的表征

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010867

名称：材料科学前沿

ID：MaterialFrontiers

立志打造材料领域有特色的新媒体

投稿、荐稿、爆料：yuan@polysci.cn