锂硫电池的突破将使电动汽车续航里程增加五倍

密歇根大学的一个研究小组利用可回收的凯夫拉尔纤维制造出了下一代锂硫电池。研究组开发出了可以在电动汽车等商用领域反复充电的仿生电池膜。这项研究发表在自然通讯．

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锂硫电池具有优良的比容量，但由于枝晶生长和锂多硫化物扩散(LPS)，其循环寿命受到严重限制，无法用于商业用途。密歇根大学的研究人员希望他们的研究能突出锂硫电池的潜力。

锂硫电池的潜力

锂硫电池可能比锂离子电池储存多达五倍的能量。然而，某些挫折阻碍了研究，使研究人员走上了使这项技术可行的道路，以前的突破主要集中在使用柔性阴极上。

1675毫安时g的高理论比容量⁻¹锂-硫(Li-S)电池具有环保、地球资源丰富的特点，这使得锂-硫(Li-S)电池在从电动汽车到机器人、从电网到航空航天工程等各种技术领域都是极具吸引力的能源存储平台。

通讯作者Nicholas Kotov，密歇根大学化学工程教授

然而，由于LPS和枝晶生长问题，以及高放电速率增加操作温度，应用潜力仍然有限。研究人员迫切地想找到延长电动汽车整体循环寿命的方法，以增加它们的寿命，并提供安全而可行的行驶里程。

这种生物仿生膜由回收的凯夫拉制成，使研究人员能够构建类似细胞膜的芳纶纳米纤维网络:

”这些电池的仿生工程集成了两个尺度——分子尺度和纳米尺度。首次将细胞膜的离子选择性与软骨的韧性结合起来。我们的综合系统方法使我们能够解决锂硫电池的总体挑战”,Kotov说。

离子选择性

在阻止了树枝状晶的生长后，该团队试图克服LSP问题，即锂和硫的小分子合并并中断锂流，从而降低电池的整体容量。

一种新的先进的膜将需要允许离子从锂流到硫，并返回无阻，同时抑制锂多硫化物(lsp)。因此，需要利用回收的凯夫拉尔芳纶纳米纤维膜来证明离子选择性。

为了促进锂硫电池的离子选择性，Kotov和他的团队利用了lsp的流量。当它们粘在芳纶纳米纤维上时，它们的负电荷排斥其他聚硫锂离子，这些离子继续在硫电极上聚集，同时允许带正电荷的锂离子自由地通过薄膜。

该团队认为，其电池设计足以用于商业用途，在Kotov成立公司将其推向市场之际，密歇根大学已经为这种薄膜申请了专利。

考虑到快速充电循环，锂硫电池可能有潜力持续1000次充电循环，这相当于大约10年的电动汽车使用量。

除了容量更大之外，锂硫电池与其他锂离子电池相比还有相当大的优势。与锂离子电极中使用的钴相比，硫的含量丰富。此外，旧的防弹背心可以回收，以获得电池膜的凯夫拉芳纶纤维。

参考资料和进一步阅读

王，M.， Emre, a.e.， Kim, JY。et al。(2022)多高性能参数电池仿生膜的多因素工程Nat Commun13，278https://doi.org/10.1038/s41467-021-27861-w

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