科学家利用凯夫拉纤维改进锂硫电池设计容量是普通锂离子电池的5倍

研究小组负责人尼 Nicholas Kotov说：“有许多报告声称锂硫电池有几百次循环，但这是以牺牲其他参数--容量、充电率、复原力和安全性为代价实现的。如今的挑战是制造一种电池，将循环率从以前的10次循环提高到数百次循环，并满足其他多种要求，包括成本。”

在接受这一挑战时，Kotov和他的同事们转向了芳纶纳米纤维，这是凯夫拉纤维的纳米级版本，并将其塑造成精心设计的网络，模仿细胞膜的结构。这种材料被注入了电解质凝胶，并防止了电池故障的一个常见原因，即在其中一个电极上形成了被称为枝晶的树枝状晶体的生长。

但是，这种新型膜的好处还远不止这些。随着锂硫电池的循环，被称为锂多硫化物的锂和硫的小颗粒会流向锂并损害设备的容量。该团队通过将微小的、生物启发的通道整合到其人工膜中并添加电荷来解决这个问题，这将排斥这些颗粒，同时允许带正电的锂离子自由流动。

论文的共同第一作者Ahmet Emre说：“受生物离子通道的启发，我们为锂离子设计了‘高速公路’，多硫化锂不能通过‘收费站’。”

据Kotov说，这种所谓的离子选择性的结果是一种具有“几乎完美”设计的锂硫电池。他说该装置拥有接近理论极限的效率，而容量是标准锂离子电池的五倍。

在具有快速充电技术的现实世界中，科学家们预计该电池可以循环1000次，这被认为是10年的寿命。对该设备有利的另一个事实是，与锂离子电池中使用的钴相比，硫的来源更丰富，问题更少，而芳纶纤维可以从旧防弹背心中获取，使其成为一个整体上更环保的主张。

Koto说：“这些电池的仿生工程整合了两个尺度--分子和纳米尺度。我们第一次整合了细胞膜的离子选择性和软骨的韧性。我们的综合系统方法使我们能够解决锂硫电池的首要挑战。”

该研究发表在《自然通讯》杂志上。

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