還在為智能手機(jī)電池不耐用而煩惱嗎？這個(gè)尷尬的問(wèn)題很快要被解決了！而靈感正來(lái)源于“我們自己”，不多說(shuō)，就讓我們一起感受新創(chuàng)意，看看下一代智能手機(jī)電池的設(shè)計(jì)吧，據(jù)說(shuō)新電池的能量密度是現(xiàn)在鋰離子電池的五倍喲~研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)下一代鋰硫電池的原型，這個(gè)電池原型的靈感一部分來(lái)自于人體的腸道細(xì)胞。如果這種電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，將會(huì)是如今廣泛應(yīng)用在智能手機(jī)和其他電子產(chǎn)品領(lǐng)域的鋰離子電池能量密度的五倍。

    劍橋大學(xué)的研究人員提出新設(shè)計(jì)，通過(guò)防止由于材料損失引起的電池退化，從而克服一個(gè)阻礙鋰硫電池的商業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。該結(jié)果發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

    通過(guò)與北京理工大學(xué)的合作，來(lái)自劍橋材料科學(xué)與冶金系Vasant Kumar博士團(tuán)隊(duì)的研究人員在開(kāi)發(fā)并測(cè)試了一種像指狀突起的小腸絨毛一樣的輕質(zhì)納米材料。在人體中，絨毛被用來(lái)吸收消化的食物，并且可以增加吸收過(guò)程的作用表面積。

    在新的鋰硫電池中，一層由微小的氧化鋅線(xiàn)制成、具有絨毛狀結(jié)構(gòu)的材料被放置在電池的電極的表面上。這可以捕獲脫離的活性材料的碎片，使它們保持電化學(xué)活性，從而使材料可重復(fù)使用。

    來(lái)自劍橋材料科學(xué)和冶金系，該研究的合作者Paul Coxon博士表示：“這薄薄的一層材料是非常重要的，它使我們找到了一條可以突破阻礙電池發(fā)展瓶頸的路。”

    一個(gè)典型的鋰離子電池是由三個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)組成：一個(gè)陽(yáng)極（負(fù)極），一個(gè)陰極（正極）和中間的電解質(zhì)。最常見(jiàn)的正負(fù)極材料是石墨和鋰鈷氧化物，兩者都具有層狀結(jié)構(gòu)。帶正電荷的鋰離子來(lái)回移動(dòng)，從陰極通過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入陽(yáng)極。

    電極材料的晶體結(jié)構(gòu)決定了電池可以存儲(chǔ)多少能量。例如，碳原子的結(jié)構(gòu)決定了每個(gè)碳原子可以承載六個(gè)鋰離子，限制了電池的最大容量。

    硫鋰反應(yīng)的不同在于，憑借多電子傳遞機(jī)制，元素硫可以提供一個(gè)更高的理論容量，從而產(chǎn)生更高的能量密度的鋰硫電池。然而，當(dāng)電池放電時(shí)，鋰硫會(huì)相互反應(yīng)，并且環(huán)硫分子會(huì)轉(zhuǎn)化成鏈狀結(jié)構(gòu)（稱(chēng)為聚硫化物）。當(dāng)電池經(jīng)歷了幾個(gè)充放電循環(huán)，少量聚硫化物會(huì)進(jìn)入電解質(zhì)，因此，隨著時(shí)間的推移，電池會(huì)逐漸損失活性材料。

    劍橋大學(xué)的研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)功能涂層，它位于陰極的頂部，將活性材料固定在導(dǎo)電框上，從而使活性物質(zhì)可以重復(fù)使用。涂層是由支架上生長(zhǎng)的、極小的氧化鋅一維納米線(xiàn)組成的。這個(gè)想法通過(guò)使用市場(chǎng)銷(xiāo)售的泡沫鎳進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)成功后，泡沫鎳被輕質(zhì)碳纖維層替換以減少電池的整體重量。

    該研究的共同作者Yingjun Liu博士介紹：“將硬質(zhì)泡沫鎳材更換為柔性碳纖維層會(huì)使涂層以一種更加接近小腸的方式進(jìn)行工作。”

    這個(gè)看上去類(lèi)似腸絨毛的功能層有非常大的表面積。該材料可與聚硫化物通過(guò)很強(qiáng)的化學(xué)鍵連接，使活性物質(zhì)的可工作時(shí)間更長(zhǎng)，大大增加了電池的使用壽命。

    該研究的帶頭人、材料科學(xué)與冶金系博士生Teng Zhao說(shuō)：“這是首次提出通過(guò)附有有序納米結(jié)構(gòu)的化學(xué)功能層在電池充放電過(guò)程中來(lái)捕獲和重新利用已經(jīng)被溶解的活性材料。借助從自然界獲得的靈感，我們能夠提出一個(gè)理想的解決方案來(lái)加快下一代電池的發(fā)展。”

    目前，雖然該方案還是在原理上具有可行性，但鋰硫電池距離商業(yè)化仍有很長(zhǎng)時(shí)間。此外，即使電池的充電和放電的次數(shù)已經(jīng)得到了改善，但是它仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)像鋰離子電池一樣多的充放電循環(huán)次數(shù)。然而，由于鋰硫電池不需要像鋰離子電池那樣頻繁的充電，便可能以能量密度的增加抵消了較少充放電循環(huán)次數(shù)所帶來(lái)的弊端。

    Coxon表示：“這是一種能幫助我們規(guī)避那些影響我們所有人的棘手小問(wèn)題的方法，我們與電子設(shè)備密切相連—但我們只是試圖使這些設(shè)備更好地工作，從而使我們的生活更加便利美好。”

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