受肠道启发的新一代智能手机电池

研究人员开发出了下一代锂硫电池的原型，其部分原因来自人体肠道细胞。如果在商业上开发，电池的能量密度将是智能手机和其他电子产品中使用的锂离子电池的五倍。

由剑桥大学的研究人员设计的新设计克服了阻碍锂硫电池商业发展的关键技术问题之一，即通过防止电池内部材料损失导致的电池退化。结果发表在AdvancedFunctionalMaterials杂志上。

与北京理工大学的合作者合作，位于材料科学与冶金系的VasantKumar博士团队的剑桥研究人员开发并测试了一种轻质纳米结构材料，类似于绒毛，即小肠上的指状突起。在人体中，绒毛用于吸收消化产物并增加可以进行该过程的表面积。

在新的锂硫电池中，一层具有绒毛状结构的材料(由微小的氧化锌线制成)被放置在电池的一个电极的表面上。这可以在活性材料断裂时捕获活性材料的碎片，使其保持电化学可接触性并允许材料重复使用。

研究报告的共同作者，剑桥大学材料科学与冶金系的PaulCoxon博士说：“这是一个小问题，这一层，但这很重要。”“这使我们在瓶颈方面走了很长一段路，阻碍了更好的电池的开发。”

典型的锂离子电池由三个独立的部件组成：阳极(负电极)，阴极(正电极)和中间的电解质。最常见的阳极和阴极材料分别是石墨和钴酸锂，它们都具有层状结构。带正电的锂离子从阴极前后移动，通过电解质并进入阳极。

电极材料的晶体结构决定了可以将多少能量挤入电池中。例如，由于碳的原子结构，每个碳原子可以带有六个锂离子，限制了电池的最大容量。

通过多电子转移机制，硫和锂的反应不同，这意味着元素硫可以提供更高的理论容量，从而使锂-硫电池具有更高的能量密度。然而，当电池放电时，锂和硫相互作用并且环状硫分子转变成链状结构，称为聚硫化物。当电池经历几次充电-放电循环时，多硫化物的比特可以进入电解质中，因此随着时间的推移，电池逐渐失去活性材料。

剑桥研究人员创造了一个功能层，它位于阴极顶部，并将活性材料固定在导电框架上，因此活性材料可以重复使用。该层由在支架上生长的微小的一维氧化锌纳米线组成。该概念是使用市售的镍泡沫进行试验以获得支持。成功结果后，泡沫被轻质碳纤维垫取代，以减少电池的整体重量。

研究报告的共同作者刘英俊博士说：“从坚硬的镍泡沫变为柔性碳纤维垫，使得该层模仿小肠的工作方式。”

这种功能层，如它类似的肠绒毛，具有非常高的表面积。该材料与聚硫化物具有非常强的化学键，使活性材料可以使用更长时间，大大延长了电池的使用寿命。

“这是第一次提出具有组织良好的纳米结构的化学功能层，用于在电池充电和放电过程中捕获和再利用溶解的活性物质，”该研究的主要作者，该部门的博士生TengZhao说。材料科学与冶金学院。“通过从自然世界中获取灵感，我们能够提出一个解决方案，我们希望这将加速下一代电池的发展。”

目前，该设备是原理的证明，因此商用锂硫电池还需要几年的时间。另外，尽管电池可以充电和放电的次数已经改善，但仍然不能经历与锂离子电池一样多的充电循环。然而，由于锂-硫电池不需要像锂离子电池那样经常充电，所以可能的情况是能量密度的增加抵消了较低的充电-放电循环总数。

“这是一种解决影响我们所有人的尴尬小问题的方法，”科克森说。“我们都与电子设备联系在一起-最终，我们只是想让这些设备更好地工作，希望让我们的生活更好一些。

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