研究人员已经开发出了新一代锂硫电池的原型，部分灵感来自人体肠道内的细胞。这种电池如果投入商业开发，其能量密度将是智能手机和其他电子产品所用锂离子电池的五倍。

剑桥大学(University of Cambridge)的研究人员通过防止锂硫电池内部材料的流失导致电池退化，克服了阻碍锂硫电池商业化发展的关键技术问题之一。研究结果发表在《先进功能材料》杂志上。

剑桥大学材料科学与冶金系的瓦桑特·库马尔博士团队与北京理工大学的合作者合作，开发并测试了一种类似绒毛的轻量纳米结构材料。绒毛是排列在小肠上的手指状突起。在人体中，绒毛被用来吸收消化的产物，并增加这一过程发生的表面积。

在新的锂-硫电池中，一层由微小的氧化锌丝制成的类似于藤条状结构的材料被放置在电池的一个电极表面。这可以在活性物质断裂时捕获它们的碎片，保持它们在电化学上的可及性，并允许这些物质被重复利用。

来自剑桥大学材料科学与冶金系的保罗·科克森博士是这项研究的合著者，他说:“这一层很小，但很重要。”“这让我们在瓶颈期有了很长的路要走，瓶颈期阻碍了更好电池的发展。”

典型的锂离子电池由三个独立的部件组成:阳极(负极)、阴极(正极)和中间的电解质。阳极和阴极最常用的材料分别是石墨和锂钴氧化物，它们都具有层状结构。带正电荷的锂离子从阴极来回移动，穿过电解质进入阳极。

电极材料的晶体结构决定了电池能吸收多少能量。例如，由于碳的原子结构，每个碳原子可以携带6个锂离子，限制了电池的最大容量。

硫和锂的反应不同，通过一个多电子传递机制，这意味着单质硫可以提供更高的理论容量，从而产生能量密度更高的锂-硫电池。然而，当电池放电时，锂和硫相互作用，环状硫分子转变成链状结构，即多硫化物。当电池经历几个充放电循环时，部分多硫化物会进入电解液，因此随着时间的推移，电池会逐渐失去活性物质。

剑桥大学的研究人员在阴极上制造了一个功能层，将活性材料固定在导电框架上，这样活性材料就可以重复使用。该层由生长在支架上的一维氧化锌纳米线组成。这一概念是使用商用泡沫镍作为支撑进行试验的。在取得成功后，泡沫材料被轻质碳纤维垫所取代，以减少电池的总重量。

研究报告的合著者刘英军博士说:“从坚硬的泡沫镍到柔韧的碳纤维垫，使得这一层更像小肠的运作方式。”

这个功能层，就像肠绒毛一样，有很高的表面积。该材料与聚酰亚胺有很强的化学键，使得活性材料的使用寿命更长，大大提高了电池的寿命。

该研究的主要作者、材料科学与工程系的博士生赵腾说:“这是第一次提出一种具有组织良好纳米结构的化学功能层，用于在电池充放电过程中捕获和再利用溶解的活性物质。”冶金学。“通过从自然界中获取灵感，我们想出了一个解决方案，我们希望它能加速下一代电池的发展。”

目前，该装置只是一个原理的证明，所以商业化的锂硫电池还需要几年的时间。此外，虽然电池的充放电次数已经得到了改善，但它仍然不能像锂离子电池那样经历那么多的充电周期。然而，由于锂-硫电池不需要像锂离子电池那样经常充电，因此，能量密度的增加可能抵消了较低的充放电循环总次数。

“这是一种回避那些影响我们所有人的棘手小问题的方法，”Coxon说。“我们都离不开电子设备——最终，我们只是想让这些设备更好地工作，希望能让我们的生活更美好一点。”