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鋰硫電池的儲(chǔ)能能力是目前鋰離子解決方案的五倍，研究人員對(duì)鋰硫電池有著濃厚的興趣，密歇根大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)向?qū)崿F(xiàn)其現(xiàn)實(shí)世界的潛力邁出了一步。這一突破取決于一種自然啟發(fā)的膜，它克服了穩(wěn)定性問題，為電池提供了“近乎完美”的設(shè)計(jì)，使其能夠持續(xù)一千多次循環(huán)。

研究小組負(fù)責(zé)人尼 Nicholas Kotov說：“有許多報(bào)告聲稱鋰硫電池有幾百次循環(huán)，但這是以犧牲其他參數(shù)--容量、充電率、復(fù)原力和安全性為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。如今的挑戰(zhàn)是制造一種電池，將循環(huán)率從以前的10次循環(huán)提高到數(shù)百次循環(huán)，并滿足其他多種要求，包括成本。”


在接受這一挑戰(zhàn)時(shí)，Kotov和他的同事們轉(zhuǎn)向了芳綸納米纖維，這是凱夫拉纖維的納米級(jí)版本，并將其塑造成精心設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，模仿細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。這種材料被注入了電解質(zhì)凝膠，并防止了電池故障的一個(gè)常見原因，即在其中一個(gè)電極上形成了被稱為枝晶的樹枝狀晶體的生長。

但是，這種新型膜的好處還遠(yuǎn)不止這些。隨著鋰硫電池的循環(huán)，被稱為鋰多硫化物的鋰和硫的小顆粒會(huì)流向鋰并損害設(shè)備的容量。該團(tuán)隊(duì)通過將微小的、生物啟發(fā)的通道整合到其人工膜中并添加電荷來解決這個(gè)問題，這將排斥這些顆粒，同時(shí)允許帶正電的鋰離子自由流動(dòng)。

論文的共同第一作者Ahmet Emre說：“受生物離子通道的啟發(fā)，我們?yōu)殇囯x子設(shè)計(jì)了‘高速公路’，多硫化鋰不能通過‘收費(fèi)站’。”

據(jù)Kotov說，這種所謂的離子選擇性的結(jié)果是一種具有“幾乎完美”設(shè)計(jì)的鋰硫電池。他說該裝置擁有接近理論極限的效率，而容量是標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的五倍。

在具有快速充電技術(shù)的現(xiàn)實(shí)世界中，科學(xué)家們預(yù)計(jì)該電池可以循環(huán)1000次，這被認(rèn)為是10年的壽命。對(duì)該設(shè)備有利的另一個(gè)事實(shí)是，與鋰離子電池中使用的鈷相比，硫的來源更豐富，問題更少，而芳綸纖維可以從舊防彈背心中獲取，使其成為一個(gè)整體上更環(huán)保的主張。


Koto說：“這些電池的仿生工程整合了兩個(gè)尺度--分子和納米尺度。我們第一次整合了細(xì)胞膜的離子選擇性和軟骨的韌性。我們的綜合系統(tǒng)方法使我們能夠解決鋰硫電池的首要挑戰(zhàn)。”

該研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。 

原標(biāo)題：科學(xué)家利用凱夫拉纖維改進(jìn)鋰硫電池 容量是普通鋰離子電池的5倍