該電池圖顯示了鋰離子如何返回鋰電極，而多硫化鋰不能穿過電極隔膜。此外，從鋰電極上長出的尖刺狀枝晶不會刺穿薄膜并到達硫電極，從而使電池短路。

 

該項研究的領導人、化學科學與工程教授Nicholas Kotov表示：“許多報告稱其可使鋰硫電池實現數百次循環，但卻影響了其他性能參數，如容量、充電率、彈性和安全性。因此當前的難題是生產出可大大提高循環數量(從10到百)，同時還可滿足成本等要求的電池。

 

這些電池的仿生工程集成了兩個尺度：分子尺度和納米尺度。我們首次整合了電池隔膜的離子選擇性和軟骨韌性。我們的集成系統方法能夠應對鋰硫電池的總體挑戰。”

 

電池循環壽命較短的主要原因之一是電極生長的枝晶刺穿隔膜。此前，Kotov的團隊依靠注入電解質凝膠的芳綸納米纖維網絡解決這一問題，因為芳綸纖維的韌性可阻止枝晶。然而，鋰硫電池還有其他問題，即鋰和硫的小分子形成并流向鋰，從而附著自身并降低電池容量。該隔膜需要允許鋰離子從鋰流向硫并返回，以及阻止鋰和多硫化鋰。這種能力稱為離子選擇性。

 

論文共同第一作者化學工程博士后Ahmet Emre表示：“受生物離子通道啟發，我們設計了鋰離子可快速通過，而多硫化鋰無法通過的高速通道。”

 

鋰離子和多硫化鋰的大小相似，因此僅通過制造小通道來阻擋多硫化鋰是不夠的。密歇根大學的研究人員還模仿生物膜中的孔隙，向電池膜的孔隙中添加電荷。他們采用的方法是將多硫化鋰本身粘附在芳綸納米纖維上，因此負電荷排斥在硫電極上不斷形成的多硫化鋰離子。然而，帶正電的鋰離子可以自由通過。

 

Kotov表示該電池設計“近乎完美”，其容量和效率接近理論極限。該電池還可以應對汽車生活中的極端溫度，從充滿陽光的充電熱到冬天的寒冷。然而快速充電后，電池在現實世界的循環壽命可能會變短，約1000次，即可用十年。

 

除更高容量外，鋰硫電池還比其他鋰離子電池具有可持續性優勢。硫比鋰離子電極的鈷較為豐富。此外，電池隔膜的芳綸纖維可以從舊防彈背心中回收利用。