锂硫电池的存储容量是目前锂离子电池的5倍，研究人员对锂硫电池产生了浓厚的兴趣，密歇根大学的一个团队已经朝着实现其现实世界的潜力迈出了一步。这一突破的关键在于一种自然激发的薄膜，它克服了稳定性问题，并为电池提供了一个“近乎完美”的设计，使其能够持续使用一千多次循环。
新型薄膜可以阻挡锂多硫化物
研究小组的负责人Nicholas Kotov说：“有很多报告声称锂硫电池可以循环使用几百次，但这是以牺牲容量、充电率、弹性和安全性等其他参数为代价的。” “现在的挑战是，如何将电池的循环频率从以前的10次提高到数百次，并满足包括成本在内的多种要求。”
为了应对这个挑战，Kotov和他的同事们转向芳纶纳米纤维，这是一种凯夫拉纤维的纳米级版本，他们将它们精心设计成模拟细胞膜结构的网络。 这种材料被注入了一种电解质凝胶，防止了电池失效的常见原因，即在其中一个电极上形成一种叫做树突的针状生长物。
但是这种新型薄膜的好处远不止于此。 锂硫电池在循环过程中，被称为锂多硫化物的锂和硫的小颗粒会流到锂中，影响设备的容量。 为了解决这个问题，该团队在人工薄膜上集成了微小的、受生物启发的通道，并添加了电荷，这可以排斥粒子，同时允许带正电荷的锂离子自由流动。
“受生物离子通道的启发，我们为锂离子设计了高速公路，而锂多硫化物无法通过收费公路，”论文的共同第一作者艾哈迈德·埃姆雷说。
根据Kotov的说法，这种离子选择性的结果是一种“近乎完美”的设计的锂硫电池。 他说，该设备的效率接近理论极限，而容量是标准锂离子电池的5倍。 例如，这可能会使电动汽车在不需要充电的情况下可以行驶5倍的距离。
科学家们预计，在现实世界中使用快速充电技术时，电池可以循环使用约1000次，相当于10年的使用寿命。 此外，与锂离子电池中使用的钴相比，硫的含量更丰富，来源问题也更少，而芳纶纤维可以从旧的防弹背心中提取，这使得它整体上更环保。
“这些电池的仿生工程集成了两个尺度——分子尺度和纳米尺度，”Kotov说。 “我们第一次将细胞膜的离子选择性和软骨的韧性结合起来。 我们的集成系统方法使我们能够解决锂-硫电池的主要挑战。”
这项研究发表在Nature Communications. 杂志上。
