該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(guò)電極隔膜。此外，從鋰電極上長(zhǎng)出的尖刺狀枝晶不會(huì)刺穿薄膜并到達(dá)硫電極，從而使電池短路。

 

該項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)人、化學(xué)科學(xué)與工程教授Nicholas Kotov表示：“許多報(bào)告稱其可使鋰硫電池實(shí)現(xiàn)數(shù)百次循環(huán)，但卻影響了其他性能參數(shù)，如容量、充電率、彈性和安全性。因此當(dāng)前的難題是生產(chǎn)出可大大提高循環(huán)數(shù)量(從10到百)，同時(shí)還可滿足成本等要求的電池。

 

這些電池的仿生工程集成了兩個(gè)尺度：分子尺度和納米尺度。我們首次整合了電池隔膜的離子選擇性和軟骨韌性。我們的集成系統(tǒng)方法能夠應(yīng)對(duì)鋰硫電池的總體挑戰(zhàn)。”

 

電池循環(huán)壽命較短的主要原因之一是電極生長(zhǎng)的枝晶刺穿隔膜。此前，Kotov的團(tuán)隊(duì)依靠注入電解質(zhì)凝膠的芳綸納米纖維網(wǎng)絡(luò)解決這一問(wèn)題，因?yàn)榉季]纖維的韌性可阻止枝晶。然而，鋰硫電池還有其他問(wèn)題，即鋰和硫的小分子形成并流向鋰，從而附著自身并降低電池容量。該隔膜需要允許鋰離子從鋰流向硫并返回，以及阻止鋰和多硫化鋰。這種能力稱為離子選擇性。

 

論文共同第一作者化學(xué)工程博士后Ahmet Emre表示：“受生物離子通道啟發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)了鋰離子可快速通過(guò)，而多硫化鋰無(wú)法通過(guò)的高速通道。”

 

鋰離子和多硫化鋰的大小相似，因此僅通過(guò)制造小通道來(lái)阻擋多硫化鋰是不夠的。密歇根大學(xué)的研究人員還模仿生物膜中的孔隙，向電池膜的孔隙中添加電荷。他們采用的方法是將多硫化鋰本身粘附在芳綸納米纖維上，因此負(fù)電荷排斥在硫電極上不斷形成的多硫化鋰離子。然而，帶正電的鋰離子可以自由通過(guò)。

 

Kotov表示該電池設(shè)計(jì)“近乎完美”，其容量和效率接近理論極限。該電池還可以應(yīng)對(duì)汽車生活中的極端溫度，從充滿陽(yáng)光的充電熱到冬天的寒冷。然而快速充電后，電池在現(xiàn)實(shí)世界的循環(huán)壽命可能會(huì)變短，約1000次，即可用十年。

 

除更高容量外，鋰硫電池還比其他鋰離子電池具有可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)。硫比鋰離子電極的鈷較為豐富。此外，電池隔膜的芳綸纖維可以從舊防彈背心中回收利用。