敲黑板啦！源于人体肠道的灵感，高性能电池横空出世

材料牛注：还在为智能手机电池不耐用而烦恼吗？这个尴尬的问题很快要被解决了！而灵感正来源于“我们自己”，不多说，就让我们一起感受新创意，看看下一代智能手机电池的设计吧，据说新电池的能量密度是现在锂离子电池的五倍哟~

研究人员已经开发了一个下一代锂硫电池的原型，这个电池原型的灵感一部分来自于人体的肠道细胞。如果这种电池实现大规模商业化生产，将会是如今广泛应用在智能手机和其他电子产品领域的锂离子电池能量密度的五倍。

剑桥大学的研究人员提出新设计，通过防止由于材料损失引起的电池退化，从而克服一个阻碍锂硫电池的商业发展的关键技术问题。该结果发表在Advanced Functional Materials上。

通过与北京理工大学的合作，来自剑桥材料科学与冶金系Vasant Kumar博士团队的研究人员在开发并测试了一种像指状突起的小肠绒毛一样的轻质纳米材料。在人体中，绒毛被用来吸收消化的食物，并且可以增加吸收过程的作用表面积。

在新的锂硫电池中，一层由微小的氧化锌线制成、具有绒毛状结构的材料被放置在电池的电极的表面上。这可以捕获脱离的活性材料的碎片，使它们保持电化学活性，从而使材料可重复使用。

来自剑桥材料科学和冶金系，该研究的合作者Paul Coxon博士表示：“这薄薄的一层材料是非常重要的，它使我们找到了一条可以突破阻碍电池发展瓶颈的路。”

一个典型的锂离子电池是由三个独立结构组成：一个阳极（负极），一个阴极（正极）和中间的电解质。最常见的正负极材料是石墨和锂钴氧化物，两者都具有层状结构。带正电荷的锂离子来回移动，从阴极通过电解质进入阳极。

电极材料的晶体结构决定了电池可以存储多少能量。例如，碳原子的结构决定了每个碳原子可以承载六个锂离子，限制了电池的最大容量。

硫锂反应的不同在于，凭借多电子传递机制，元素硫可以提供一个更高的理论容量，从而产生更高的能量密度的锂硫电池。然而，当电池放电时，锂硫会相互反应，并且环硫分子会转化成链状结构（称为聚硫化物）。当电池经历了几个充放电循环，少量聚硫化物会进入电解质，因此，随着时间的推移，电池会逐渐损失活性材料。

剑桥大学的研究人员已经设计了一个功能涂层，它位于阴极的顶部，将活性材料固定在导电框上，从而使活性物质可以重复使用。涂层是由支架上生长的、极小的氧化锌一维纳米线组成的。这个想法通过使用市场销售的泡沫镍进行的实验验证。实验成功后，泡沫镍被轻质碳纤维层替换以减少电池的整体重量。

该研究的共同作者Yingjun Liu博士介绍：“将硬质泡沫镍材更换为柔性碳纤维层会使涂层以一种更加接近小肠的方式进行工作。”

这个看上去类似肠绒毛的功能层有非常大的表面积。该材料可与聚硫化物通过很强的化学键连接，使活性物质的可工作时间更长，大大增加了电池的使用寿命。

该研究的带头人、材料科学与冶金系博士生Teng Zhao说：“这是首次提出通过附有有序纳米结构的化学功能层在电池充放电过程中来捕获和重新利用已经被溶解的活性材料。借助从自然界获得的灵感，我们能够提出一个理想的解决方案来加快下一代电池的发展。”

目前，虽然该方案还是在原理上具有可行性，但锂硫电池距离商业化仍有很长时间。此外，即使电池的充电和放电的次数已经得到了改善，但是它仍然无法实现像锂离子电池一样多的充放电循环次数。然而，由于锂硫电池不需要像锂离子电池那样频繁的充电，便可能以能量密度的增加抵消了较少充放电循环次数所带来的弊端。

Coxon表示：“这是一种能帮助我们规避那些影响我们所有人的棘手小问题的方法，我们与电子设备密切相连—但我们只是试图使这些设备更好地工作，从而使我们的生活更加便利美好。”

原文链接：Next-Generation Smartphone Battery Inspired By the Gut

文献链接：Advanced Lithium–Sulfur Batteries Enabled by a Bio-Inspired Polysulfide Adsorptive Brush（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201604069）

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，申飘阳编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。