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

据New Atlas报道,锂硫电池的储能能力是目前锂离子解决方案的五倍,研究人员对锂硫电池有着浓厚的兴趣,密歇根大学的一个团队已经向实现其现实世界的潜力迈出了一步。这一突破取决于一种自然启发的膜,它克服了稳定性问题,为电池提供了“近乎完美”的设计,使其能够持续一千多次循环。

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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。

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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。

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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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