密歇根大学Nat. Commun.：锂硫电池3C循环3500圈！

锂硫(Li-S)电池具有较高的比容量，但多硫化锂(LPS)扩散和锂枝晶生长会大大降低其循环寿命。此外，高放电率也要求它们具有耐高温的能力。

美国密歇根大学Nicholas A. Kotov等报道了一种芳纶纳米纤维(ANF)基仿生自组装膜，以解决上述挑战。

图1 np-ANF膜的表征

这种膜的结构设计是通过先前对细胞膜中离子通道的研究来确定的，这些离子通道具有高效的离子传输和高离子选择性，以及具有独特机械性能的软骨。软骨和其他几种生物组织的设计基于高度互连的纳米纤维网络，从而产生其独特的机械、粘合和运输特性。

此外，它们的拓扑结构反映了不明显的互连性，并且渗透能够实现有效的应力传递，从而提供韧性和柔韧性，这可以在由ANF制成的复合材料中复制。由于LPS层在np-ANF表面的自发吸附，ANF基复合材料也可以被设计成具有纳米级孔隙率和电荷筛选能力的分层膜（np-ANF）。

理论模拟证实，带负电荷的np-ANF单纳米孔可有效抑制LPS穿梭，同时提供锂离子的快速传输。此外，渗滤纳米纤维的高度互连网络与芳纶的固有材料特性相结合，可同时有效抑制锂枝晶并使电池在高温下长期运行。

图2 Li-S电池性能

所得np-ANF膜显示出高杨氏模量E = 9.2 ± 0.5 GPa（比 Celgard^TM 2400高55倍）和高耐热性（600 °C）。受益于上述优势，采用类软骨仿生ANF膜的Li-S电池表现出接近理论的最大容量（1268 mAh g^-1）、高达3500+的循环寿命以及高达3C的放电倍率。

此外，ANF 的高热弹性对于安全至关重要，可使Li-S电池在高达80 °C的温度下运行。ANF制备的简单性和母材Kevlar作为可回收聚合物的可用性使其在不同能源技术中具有广泛应用的可能性。

图3 对称电池性能

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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