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密歇根大學(xué)Nat. Commun.：鋰硫電池3C循環(huán)3500圈！

鋰硫(Li-S)電池具有較高的比容量，但多硫化鋰(LPS)擴(kuò)散和鋰枝晶生長(zhǎng)會(huì)大大降低其循環(huán)壽命。此外，高放電率也要求它們具有耐高溫的能力。

美國密歇根大學(xué)Nicholas A. Kotov等報(bào)道了一種芳綸納米纖維(ANF)基仿生自組裝膜，以解決上述挑戰(zhàn)。

圖1 np-ANF膜的表征

這種膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是通過先前對(duì)細(xì)胞膜中離子通道的研究來確定的，這些離子通道具有高效的離子傳輸和高離子選擇性，以及具有獨(dú)特機(jī)械性能的軟骨。軟骨和其他幾種生物組織的設(shè)計(jì)基于高度互連的納米纖維網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生其獨(dú)特的機(jī)械、粘合和運(yùn)輸特性。

此外，它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反映了不明顯的互連性，并且滲透能夠?qū)崿F(xiàn)有效的應(yīng)力傳遞，從而提供韌性和柔韌性，這可以在由ANF制成的復(fù)合材料中復(fù)制。由于LPS層在np-ANF表面的自發(fā)吸附，ANF基復(fù)合材料也可以被設(shè)計(jì)成具有納米級(jí)孔隙率和電荷篩選能力的分層膜（np-ANF）。

理論模擬證實(shí)，帶負(fù)電荷的np-ANF單納米孔可有效抑制LPS穿梭，同時(shí)提供鋰離子的快速傳輸。此外，滲濾納米纖維的高度互連網(wǎng)絡(luò)與芳綸的固有材料特性相結(jié)合，可同時(shí)有效抑制鋰枝晶并使電池在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行。

圖2 Li-S電池性能

所得np-ANF膜顯示出高楊氏模量E = 9.2 ± 0.5 GPa（比 Celgard^TM 2400高55倍）和高耐熱性（600 °C）。受益于上述優(yōu)勢(shì)，采用類軟骨仿生ANF膜的Li-S電池表現(xiàn)出接近理論的最大容量（1268 mAh g^-1）、高達(dá)3500+的循環(huán)壽命以及高達(dá)3C的放電倍率。

此外，ANF 的高熱彈性對(duì)于安全至關(guān)重要，可使Li-S電池在高達(dá)80 °C的溫度下運(yùn)行。ANF制備的簡(jiǎn)單性和母材Kevlar作為可回收聚合物的可用性使其在不同能源技術(shù)中具有廣泛應(yīng)用的可能性。

圖3 對(duì)稱電池性能

Multifactorial engineering of biomimetic membranes for batteries with multiple high-performance parameters. Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-021-27861-w

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