该电池图显示了锂离子如何返回锂电极，而多硫化锂不能穿过电极隔膜。此外，从锂电极上长出的尖刺状枝晶不会刺穿薄膜并到达硫电极，从而使电池短路。

 

该项研究的领导人、化学科学与工程教授Nicholas Kotov表示：“许多报告称其可使锂硫电池实现数百次循环，但却影响了其他性能参数，如容量、充电率、弹性和安全性。因此当前的难题是生产出可大大提高循环数量(从10到百)，同时还可满足成本等要求的电池。

 

这些电池的仿生工程集成了两个尺度：分子尺度和纳米尺度。我们首次整合了电池隔膜的离子选择性和软骨韧性。我们的集成系统方法能够应对锂硫电池的总体挑战。”

 

电池循环寿命较短的主要原因之一是电极生长的枝晶刺穿隔膜。此前，Kotov的团队依靠注入电解质凝胶的芳纶纳米纤维网络解决这一问题，因为芳纶纤维的韧性可阻止枝晶。然而，锂硫电池还有其他问题，即锂和硫的小分子形成并流向锂，从而附着自身并降低电池容量。该隔膜需要允许锂离子从锂流向硫并返回，以及阻止锂和多硫化锂。这种能力称为离子选择性。

 

论文共同第一作者化学工程博士后Ahmet Emre表示：“受生物离子通道启发，我们设计了锂离子可快速通过，而多硫化锂无法通过的高速通道。”

 

锂离子和多硫化锂的大小相似，因此仅通过制造小通道来阻挡多硫化锂是不够的。密歇根大学的研究人员还模仿生物膜中的孔隙，向电池膜的孔隙中添加电荷。他们采用的方法是将多硫化锂本身粘附在芳纶纳米纤维上，因此负电荷排斥在硫电极上不断形成的多硫化锂离子。然而，带正电的锂离子可以自由通过。

 

Kotov表示该电池设计“近乎完美”，其容量和效率接近理论极限。该电池还可以应对汽车生活中的极端温度，从充满阳光的充电热到冬天的寒冷。然而快速充电后，电池在现实世界的循环寿命可能会变短，约1000次，即可用十年。

 

除更高容量外，锂硫电池还比其他锂离子电池具有可持续性优势。硫比锂离子电极的钴较为丰富。此外，电池隔膜的芳纶纤维可以从旧防弹背心中回收利用。