研究團隊負責(zé)人尼古拉斯·科托夫（Nicholas Kotov）表示：“有很多報告聲稱鋰硫電池可以循環(huán)數(shù)百次，但這是以犧牲其他參數(shù)為代價實現(xiàn)的——容量、充電速率、彈性和安全性。今天的挑戰(zhàn)是制造一種電池，將循環(huán)率從之前的10 個循環(huán)提高到數(shù)百個循環(huán)，并滿足包括成本在內(nèi)的多種其他要求?！?

在應(yīng)對這一挑戰(zhàn)時，科托夫和他的同事轉(zhuǎn)向芳綸納米纖維（凱夫拉纖維的納米級版本），并將其塑造成精心設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)，模仿細胞膜的結(jié)構(gòu)。該材料注入了電解質(zhì)凝膠，可防止電池故障的常見原因，即在電極之一上形成的稱為枝晶的枝晶生長。

但這種新膜的好處遠不止于此。當(dāng)鋰硫電池循環(huán)時，稱為多硫化鋰的鋰和硫的小顆粒會流入鋰中并損壞設(shè)備的容量。該團隊通過將微小的仿生通道集成到人造膜中并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。

論文共同第一作者艾哈邁德·埃姆雷（Ahmet Emre）表示：“受生物離子通道的啟發(fā)，我們設(shè)計了一條鋰離子的‘高速公路’，而多硫化鋰無法通過‘收費站’。”

科托夫表示，這種所謂的離子選擇性的結(jié)果是一種具有“近乎完美”設(shè)計的鋰硫電池。他表示，該設(shè)備的效率接近理論極限，容量是標準鋰離子電池的五倍。

在采用快速充電技術(shù)的現(xiàn)實環(huán)境中，科學(xué)家預(yù)計電池可以循環(huán)1,000 次，這被認為是10 年的使用壽命。另一個對該設(shè)備有利的事實是，與鋰離子電池中使用的鈷相比，硫含量更豐富，問題也更少，而且芳綸纖維可以從舊的防彈背心中收獲，使其更環(huán)保。

“這些電池的仿生工程集成了兩個尺度——分子尺度和納米尺度，”Koto 說。 “我們第一次將細胞膜的離子選擇性和軟骨的韌性結(jié)合起來。我們的集成系統(tǒng)方法使我們能夠解決鋰硫電池的問題?！钡谝粋€挑戰(zhàn)。”

該研究發(fā)表在期刊《自然通訊》 上。