电池的示意图显示了锂离子如何返回到锂电极，而多硫化锂却不能穿过分隔电极的膜。此外，从锂电极生长出来的尖枝状枝晶不能穿透隔膜到达硫电极而使电池短路。功劳:科托夫实验室阿赫梅特·E·MRE一种新的受生物启发的电池隔膜使一个容量是工业标准锂离子电池设计的五倍的电池能够运行一千多个循环来驱动一辆电动汽车。密歇根大学的一个研究小组表明，从凯夫拉尔回收的芳纶纳米纤维网络可以使锂硫电池克服循环寿命的致命弱点——充电和放电的次数。
“有许多报告声称锂硫电池需要数百次循环，但这是以牺牲其他参数——容量、充电速率、弹性和安全性——为代价实现的。领导这项研究的欧文·朗缪尔杰出大学化学科学与工程教授尼古拉斯·科托夫说:“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，并满足包括成本在内的多种其他要求。
“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。我们首次整合了细胞膜的离子选择性和软骨的韧性。我们的集成系统方法使我们能够应对锂硫电池的重大挑战。”
此前，他的团队依靠注入电解质凝胶的芳纶纳米纤维网络来阻止短循环寿命的主要原因之一:从一个电极到另一个电极生长的树突穿透膜。芳纶纤维的韧性阻止了枝晶。
但是锂硫电池还有另一个问题:锂和硫的小分子形成并流向锂，附着在自身上，降低了电池的容量。这种膜需要让锂离子从锂流到硫，然后再流回来，以阻挡锂和硫颗粒，即所谓的多硫化锂。这种能力被称为离子选择性。
化学工程博士后研究员、《自然通讯》论文的第一作者之一阿赫梅特·埃姆雷(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，在那里多硫化锂无法通过通行费。
锂离子和多硫化锂的尺寸相似，因此通过制造小通道来阻挡多硫化锂是不够的。模仿生物膜中的孔隙，U-M的研究人员给电池膜的孔隙增加了电荷。
他们通过利用多硫化锂本身来做到这一点:它们粘附在芳族聚酰胺纳米纤维上，它们的负电荷排斥在硫电极上继续形成的多硫化锂离子。然而，带正电的锂离子可以自由通过。
“实现多种材料性能的多种参数的创纪录水平是现在汽车电池所需要的，”科托夫说。“这有点类似于奥运会体操——你必须在所有方面都做到完美，包括制作的可持续性。”
作为一个电池，科托夫说设计“近乎完美”，其容量和效率接近理论极限。它还可以处理汽车生活中的极端温度，从充满阳光的充电热到冬天的寒冷。然而，他说，快速充电可能会缩短真实世界的循环寿命，更像是1000次循环。这被认为是十年的寿命。
除了更高的容量，锂硫电池比其他锂离子电池具有可持续性优势。硫比锂离子电极中的钴丰富得多。此外，电池隔膜的芳纶纤维可以从旧防弹衣中回收。
这项研究发表在《自然通讯》上。
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