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)標準鋰離子設計的五倍的電池能夠運行為電動汽車供電所需的一千多次循環(huán)。來自美國密歇根大學的一個團隊表明，從凱夫拉纖維中回收的芳綸納米纖維網絡可以使鋰硫電池克服其循環(huán)壽命的致命弱點--即它可以被充放電的次數。

領導這項研究的歐文-朗繆爾大學化學科學與工程特聘教授尼古拉斯-科托夫說：："有許多報告聲稱鋰硫電池有幾百次循環(huán)，但這是以犧牲其他參數--容量、充電率、復原力和安全性為代價實現的。"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尺度--分子和納米尺度。我們第一次整合了細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，他的團隊曾依靠注入電解質凝膠的芳綸納米纖維網絡來阻止循環(huán)壽命短的主要原因之一：從一個電極長到另一個電極的樹枝，刺穿膜。芳綸纖維的韌性阻止了樹枝狀物的出現。

但鋰硫電池有另一個問題：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子設計了高速公路，其中多硫化鋰不能通過收費站，"

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。它們粘在芳綸納米纖維上，其負電荷排斥繼續(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："實現多種材料特性的多種參數的記錄水平是現在汽車電池所需要的。這有點類似于奧運會的體操--你必須在各個方面都做到完美，包括其生產的可持續(xù)性。"

作為一個電池，Kotov說，該設計"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，現實世界的循環(huán)壽命可能會因為快速充電而縮短，更像是1000個循環(huán)，他說。這被認為是一個十年的壽命。

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。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。