科學家研發出新型電池原型，電量是過去的五倍

知識 11-23

受人類腸道解剖學的啟發，科學家們已研發出一種新型的電池原型，這種由生物學理論支撐的方法能夠為我們的數字設備提供更為強大的能源來源。

我們平常應用於智能手機和筆記本電腦的電池是鋰離子電池，而這種電池原型能提供五倍的鋰離子電池能源密度。對比來看，它運用了鋰硫電池及腸道模擬設計，該設計能最終使得這些高能源密度的電池電量持久，足以應用於商業範疇。

本研究由英國劍橋大學的一支團隊主導，雖然鋰硫電池有著超高的能源密度，但其退化比鋰離子電池的退化快很多，而這項研究就克服了這一主要問題。

當鋰-硫磺電池處於放電狀態時，電解時陰極中的硫磺（原電池的正極）吸收來自陽極（原電池的負極）中的鋰。這種相互作用使得硫磺分子轉化成名為多硫化物的鏈狀結構。

在電池經歷了無數次充電和放電的循環後，該反應開始給陰極施壓，導致多硫化物結構的小塊片斷開並進入至電池內連接兩極的電解質。

一旦發生這種現象，電池就開始退化，因為電池內部儲存能源的活躍材質正在流失。

模擬腸道電池的靈感正是來源於此。

我們人體內的小腸內有千千萬萬的微小的、指狀的突出物——絨毛。這些突出物從腸壁開始在腸內進行擴散，幫助我們在消化過程中吸收營養。

要實現這種功能，這些絨毛要極大地擴大人體腸內層的表面積，擴大次數高達約30次。

運用同一原理，該團隊仿照絨毛髮展了一種較輕的納米結構材料。因此，當多硫化物結構破裂時，電池內的突出物就能抓住這些破裂的物質，避免它們流入電解質。

這種絨毛狀的結構層是由微小的氧化鋅金屬絲構成的，它覆蓋了電池兩極的表面。當電池內的活躍物質出現鬆散現象時，這些金屬絲能有效鎖住這些物質，確保它能實現陰陽兩極的電氣化學連接，從而避免電池的退化。

「這種結構層看似瑣碎，但意義重大，」來自劍橋大學的材料科學家保羅·考克森（Paul Coxon）說，「它使得我們突破阻礙發展更優電池的瓶頸，並向前進了一大步。」

雖然鋰硫電池已發展了數年，由於硫磺會熔於電解質導致電池失效，實現鋰硫電池技術的商業化對於任何人來說都是難題。

然而，在絨毛狀物質的幫助下，未來鋰硫電池商業化的實現將不成問題。

「配以有序的納米結構，化學功能的結構層能在電池充電和放電的過程中鎖住並重新利用熔解的活躍物質，這還是頭一次！」研究人員之一趙騰說。

「通過利用來源於自然世界的靈感，我們能夠找到對策，實現加快下一代電池發展的願望。」

測試顯示，在200次的充電循環後，納米結構確保電池原型每次充電循環只損失約0.05%的能源能力，這使得鋰硫電池幾乎和每次充電循環損耗平均0.025%-0.048%能力的鋰離子電池同樣的穩定。

研究人員承認他們的電池原型目前只用於驗證概念，這意味著還需要好幾年的時間，鋰硫電池才能出現在我們的智能手機、相機和掌上遊戲機中。

但既然我們知道了如何穩定能源的載體，就意味著我們朝更強力的電池進了一大步，也意味著我們正在擺脫鋰原子電池的局限性。

「這是一種把我們從一些令人困擾和尷尬的小問題中解救出來的方式，」考克森說。

「我們已經和我的電子設備合為一體了——最終，我們只能儘力把這些設備的運行變得更好，從而讓我們的生活更加美好。」

本發明已發表於《先進功能材料》。

蝌蚪五線譜編譯自sciencealert，譯者李二寶，轉載須授權

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