鋰離子動力電池的續航里程，還有沒有繼續提升的可能？

在業界普遍認為鋰電池續航已到極限的情況下，仍不斷有人在探尋鋰電池更遠的邊界。比如密西根大學尼古拉斯-科托夫團隊最近發表最新論文，論文一作，是出自哈工大的王明強博士。

論文最新研究成果，能讓鋰電池續航里程提升 5 倍，迴圈使用壽命比當前主流三元鋰電池提升 1/4。

而且提升鋰電池能力的祕密武器，只是一種回收自廢舊防彈衣的纖維材料：凱夫拉（Kevlar）纖維。

凱夫拉縴維如何改變鋰硫電池？

鋰硫電池，是電動車動力電池的另一個可能性。之所以說是可能性，是因為此前鋰硫電池還有兩個問題沒有解決：電池容量低，迴圈壽命短。

但是，一個來自密歇根大學化學科學和工程團隊的研究成果：

一種新的受生物啟發的電池隔膜，改變了鋰硫電池的命運。

這種電池隔膜，通過生物模擬工程整合了兩個尺度：分子和奈米尺度。

即讓電池膜可以同時擁有類似生物細胞膜的離子選擇性和強大的韌性。這個學術團隊的帶頭人尼古拉斯-科托夫（Nicholas Kotov）教授表示，鋰硫電池容量低壽命短的原因，主要有兩個：

• 其一，傳統的 PP 電池隔膜會被鋰硫電池兩個電極之間的樹突效應穿破，減損壽命。

• 其二，鋰和硫的小分子在正負極之間穿梭過程中，多硫化鋰（LPS）會溶解到電解質中，導致容量損失，即鋰硫電池的穿梭效應。

所以想要鋰硫電池的問題，電池隔膜需要擁有足夠的韌性，以防止樹突效應穿透。又要在鋰和硫的小分子在正負極穿梭過程中，阻止大小與鋰離子相當的多硫化鋰通過。

基於芳綸纖維（ANF）的電池隔膜，具備類似生物軟骨的韌性，可以防止樹突效應。同時因為其奈米纖維的順序沉積，具備良好的離子選擇性。

因此基於 ANF 的複合材料，也可以被設計成具有奈米級孔隙率（np-ANF）的分層膜。並且由於多硫化鋰層在 np-ANF 表面的自發吸附而具有電荷篩分能力。

尼古拉斯-科托夫團隊的資料模擬證實，np-ANF 的帶負電的單奈米孔隙強烈地抑制了 LPS 的穿梭，同時提供了 Li + 離子的快速運輸。

通俗一點說，尼古拉斯-科托夫團隊基於芳綸纖維的電池隔膜，可以為鋰離子提供高速公路，但其中的多硫化鋰卻不能通過收費站。

根據研究結果，這種芳綸纖維的加入，可以將當前主流鋰電池的續航里程提升 5 倍

重要的是，創造奇蹟的芳綸纖維，並不是一種什麼難以開發的材料。只是一種高韌性纖維 —— 凱夫拉（Kevlar）纖維 —— 的奈米升級版。

而這種材料，可以在廢舊的防彈衣中找到並提取。

鋰硫電池？

這背後的承載者 —— 鋰硫電池，其實也不是新事物。

這種以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的鋰電池，早在十年前就進入科研階段，但至今還未商業化，主要原因還是前文提到的兩個問題一直得不到很好的解決。

除了密西根大學的尼古拉斯-科托夫團隊，國內在相關領域的研究也有所建樹。

早在 2020 年，廣東工業大學林展教授團隊設計了一種超高氮含量的石墨烯片複合材料作為硫正極載體，可以有效轉化吸收多硫化鋰，可以在電解液不新增 LiNO3 的情況下實現硫正極也優異的迴圈穩定性。

還有最近來自華東理工團隊也有比較大的進展，他們的研究思路和尼古拉斯-科托夫團隊有一定相似性，都是通過生物模擬，將碲化鎳電催化劑 ([email protected])，負載在生物質多孔碳 (MSC) 奈米片上用作鋰硫電池的隔膜修飾層。

利用碲化鎳電催化劑較好的本徵導電性及其獨特的孔結構和化學活性位抑制多硫化鋰穿梭效應。

同時還能對多硫化鋰進行催化轉化，提升多硫化鋰在電池迴圈過程中的利用率，延長電池使用壽命。之所以吸引國內外眾多科研團隊數十年如一日投入研究，本質上還是鋰硫電池作為動力電池的優勢。

首先，相比目前鋰電池正極主流原材料金屬鈷。硫在全球的儲量更加豐富，因此價格上來說，更有優勢。

同時硫也是一種環境友好型材料，回收處理相對簡單。

除此之外，對尼古拉斯-科托夫團隊來說，電池膜的芳綸纖維還可以從舊防彈背心中回收。

畢竟他們的研究還美國國家科學基金會和國防部的資助。別的東西可能給不了，但舊防彈背心嘛，要多少有多少。

團隊介紹

論文一作王明強，哈爾濱工業大學化學與化工學院博士後。

研究方向：高分子共混與複合材料。

共同一作阿赫梅特-埃姆雷罕-埃姆雷（Ahmet Emrehan Emre），密歇根大學生物醫學工程博士。

研究方向：芳綸奈米纖維複合材料的薄膜電池隔膜的製造及奈米生物技術。

通訊作者尼古拉斯-科托夫（Nicholas Kotov），畢業於莫斯科國立大學。

現任密歇根大學化學工程系教授。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27861-w

參考連結：

[1]https://che.engin.umich.edu/2022/01/12/1000-cycle-lithium-sulfur-battery-could-quintuple-electric-vehicle-ranges/

[2]https://www.teslarati.com/lithium-sulfur-kevlar-fiber-life-cycle-issues-resolved-university-of-michigan-research/