電池圖顯示了鋰離子如何返回鋰電極，而多硫化鋰不能穿過分隔電極的膜

一種新的受生物啟發(fā)的電池膜使一種容量為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋰離子設(shè)計(jì)的五倍的電池能夠運(yùn)行為電動(dòng)汽車供電所需的一千多次循環(huán)。來自美國(guó)密歇根大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)表明，從凱夫拉纖維中回收的芳綸納米纖維網(wǎng)絡(luò)可以使鋰硫電池克服其循環(huán)壽命的致命弱點(diǎn)--即它可以被充放電的次數(shù)。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的歐文-朗繆爾大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程特聘教授尼古拉斯-科托夫說：："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。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總體挑戰(zhàn)"。

此前，他的團(tuán)隊(duì)曾依靠注入電解質(zhì)凝膠的芳綸納米纖維網(wǎng)絡(luò)來阻止循環(huán)壽命短的主要原因之一：從一個(gè)電極長(zhǎng)到另一個(gè)電極的樹枝，刺穿膜。芳綸纖維的韌性阻止了樹枝狀物的出現(xiàn)。

但鋰硫電池有另一個(gè)問題：鋰和硫的小分子形成并流向鋰，附著在自己身上并降低電池的容量。膜需要允許鋰離子從鋰流向硫并返回-并阻擋鋰和硫的顆粒，稱為多硫化鋰。這種能力被稱為離子選擇性。

化學(xué)工程博士后研究員、《自然-通訊》上這篇論文的共同第一作者艾哈邁德-埃姆雷說。："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，其中多硫化鋰不能通過收費(fèi)站，"

鋰離子和多硫化鋰的大小相似，所以通過制作小通道來阻擋多硫化鋰是不夠的。模仿生物膜的孔隙，馬薩諸塞大學(xué)的研究人員在電池膜的孔隙中加入了電荷。

他們通過利用多硫化鋰本身來做到這一點(diǎn)。它們粘在芳綸納米纖維上，其負(fù)電荷排斥繼續(xù)在硫磺電極上形成的多硫化鋰離子。然而，帶正電的鋰離子則可以自由通過。

科托夫說："實(shí)現(xiàn)多種材料特性的多種參數(shù)的記錄水平是現(xiàn)在汽車電池所需要的。這有點(diǎn)類似于奧運(yùn)會(huì)的體操--你必須在各個(gè)方面都做到完美，包括其生產(chǎn)的可持續(xù)性。"

作為一個(gè)電池，Kotov說，該設(shè)計(jì)"幾乎完美"，其容量和效率接近理論極限。它還可以處理汽車生活中的極端溫度，從全日照下充電的熱量到冬天的寒氣。然而，現(xiàn)實(shí)世界的循環(huán)壽命可能會(huì)因?yàn)榭焖俪潆姸s短，更像是1000個(gè)循環(huán)，他說。這被認(rèn)為是一個(gè)十年的壽命。

除了更高的容量，鋰硫電池比其他鋰離子電池具有可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)。硫磺比鋰離子電極的鈷要豐富得多。此外，電池膜的芳綸纖維可以從舊防彈背心中回收。