科學家利用凱夫拉縴維改進鋰硫電池設計 容量是普通鋰離子電池的5倍

據New Atlas報道,鋰硫電池的儲能能力是目前鋰離子解決方案的五倍,研究人員對鋰硫電池有着濃厚的興趣,密歇根大學的一個團隊已經向實現其現實世界的潛力邁出了一步。這一突破取決於一種自然啟發的膜,它克服了穩定性問題,為電池提供了“近乎完美”的設計,使其能夠持續一千多次循環

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研究小組負責人尼 Nicholas Kotov說:“有許多報告聲稱鋰硫電池有幾百次循環,但這是以犧牲其他參數–容量、充電率、復原力和安全性為代價實現的。如今的挑戰是製造一種電池,將循環率從以前的10次循環提高到數百次循環,並滿足其他多種要求,包括成本。”

在接受這一挑戰時,Kotov和他的同事們轉向了芳綸納米纖維,這是凱夫拉縴維的納米級版本,並將其塑造成精心設計的網絡,模仿細胞膜的結構。這種材料被注入了電解質凝膠,並防止了電池故障的一個常見原因,即在其中一個電極上形成了被稱為枝晶的樹枝狀晶體的生長。

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但是,這種新型膜的好處還遠不止這些。隨着鋰硫電池的循環,被稱為鋰多硫化物的鋰和硫的小顆粒會流向鋰並損害設備的容量。該團隊通過將微小的、生物啟發的通道整合到其人工膜中並添加電荷來解決這個問題,這將排斥這些顆粒,同時允許帶正電的鋰離子自由流動。

論文的共同第一作者Ahmet Emre說:“受生物離子通道的啟發,我們為鋰離子設計了‘高速公路’,多硫化鋰不能通過‘收費站’。”

據Kotov說,這種所謂的離子選擇性的結果是一種具有“幾乎完美”設計的鋰硫電池。他說該裝置擁有接近理論極限的效率,而容量是標準鋰離子電池的五倍。

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在具有快速充電技術的現實世界中,科學家們預計該電池可以循環1000次,這被認為是10年的壽命。對該設備有利的另一個事實是,與鋰離子電池中使用的鈷相比,硫的來源更豐富,問題更少,而芳綸纖維可以從舊防彈背心中獲取,使其成為一個整體上更環保的主張。

Koto說:“這些電池的仿生工程整合了兩個尺度–分子和納米尺度。我們第一次整合了細胞膜的離子選擇性和軟骨的韌性。我們的綜合系統方法使我們能夠解決鋰硫電池的首要挑戰。”

該研究發表在《自然通訊》雜誌上。


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