當(dāng)前市場對充電速度更快、更薄、更便宜的電池需求旺盛。人們希望電動汽車和電動自行車?yán)m(xù)航里程更長，希望電池的使用壽命更長、充電速度更快、成本更低。如今，鋰離子電池（LIB）是行業(yè)標(biāo)桿。但經(jīng)過數(shù)十年的研究，這項(xiàng)技術(shù)已接近極限，而且每一次新突破都愈發(fā)難以實(shí)現(xiàn)。

圖片來源：《Small Structures》

鋰硫（Li-S）電池是極具前景的下一代技術(shù)。與鋰離子電池相比，鋰硫電池單位重量儲存的能量更多，而且由廉價(jià)、易得的材料制成。但問題在于，目前的鋰硫電池體積比鋰離子電池大1.5到2倍。換句話說，鋰硫電池的體積容量要低得多。這是一個(gè)嚴(yán)重的瓶頸，因?yàn)樵谠S多實(shí)際應(yīng)用中，空間比重量更重要。從便攜式電子產(chǎn)品、電動汽車到航空航天系統(tǒng)，每一寸空間都至關(guān)重要。

雖然鋰硫電池可以儲存大量能量，但主要挑戰(zhàn)在于硫陰極內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)緩慢，鋰離子在內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)中移動緩慢。為了彌補(bǔ)這一缺陷，研究人員（通常）會刻意增加硫陰極的孔隙率，使整個(gè)體系“充滿”孔隙，從而為離子提供充足的移動空間。然而，這種額外的空間會使電極增厚，降低體積性能。

就目前而言，鋰離子電池在單位體積內(nèi)能儲存多少能量方面樹立了黃金標(biāo)準(zhǔn)。鋰離子電池體積小巧的原因有兩個(gè)：首先，其材料本身密度就更高；其次，鋰離子電池電極可以通過一種稱為壓延的工藝進(jìn)行致密化和壓縮。

壓延工藝有點(diǎn)像用大搟面杖搟面團(tuán)，它利用兩個(gè)大軋輥將電極壓平，從而減小其厚度。這是實(shí)驗(yàn)室和工廠的常規(guī)工序。然而，這種處理方法對硫陰極并不適用。通過擠壓顆粒間的孔隙，會減少離子移動的空間。對硫陰極壓縮程度越大，其性能就越差。

據(jù)外媒報(bào)道，最近發(fā)表在《Small Structures》期刊上的研究成果徹底顛覆了這一難題。研究證明，硫陰極可以在不犧牲性能的前提下做得更薄，這點(diǎn)長期以來一直是該領(lǐng)域的難題。研究人員沒有依賴陰極內(nèi)部的隨機(jī)孔隙，而是提出了這樣一個(gè)設(shè)想：能否制造出結(jié)構(gòu)緊湊的硫陰極，同時(shí)又能保持快速的離子傳輸？

該解決方案的研究人員重新思考了粘合劑的作用，不再將其視為僅僅將陰極粘合在一起的惰性成分，而是將其用作結(jié)構(gòu)模板。研究發(fā)現(xiàn)，通過在致密壓延處理后的陰極內(nèi)部構(gòu)建微觀通道，可以為離子移動保留空間。預(yù)先設(shè)計(jì)的內(nèi)置通道為離子移動留出了空間，但材料本身卻緊密排列。換句話說，研究人員把通道做得寬闊暢通，讓離子有清晰的路徑通行，而其他一切則緊密地排列在一起。

還有一個(gè)問題就是：能否用廉價(jià)的現(xiàn)成材料，無需復(fù)雜的制造工藝來解決這個(gè)問題？這個(gè)不可思議的靈感來源于蛋白酥。當(dāng)?shù)扒灞淮虬l(fā)時(shí)，會形成一層細(xì)密的氣泡網(wǎng)絡(luò)，將空氣包裹其中。研究人員由此想到，這些氣泡能否成為離子的通道呢？

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，研究人員嘗試在實(shí)驗(yàn)室里重現(xiàn)這種廚房化學(xué)反應(yīng)。通過將纖維素衍生物與一種類似蛋清中的球狀蛋白質(zhì)混合攪拌，研究人員制成了絲滑的泡沫。

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)展開時(shí)，其疏水性內(nèi)部會暴露出來，吸附在空氣-水界面，降低表面張力并捕獲微小的（微米級）氣泡。然而，與甜點(diǎn)不同，研究人員設(shè)計(jì)的這種“蛋白質(zhì)泡沫粘合劑”堅(jiān)韌、富有彈性且粘性強(qiáng)，是電池的理想材料。

研究人員將這種泡沫與硫和碳混合，制成濃稠的油墨，并將其涂覆在集流體上。干燥過程中，氣泡破裂，但由于油墨粘稠，留下了狹窄的圓柱形通道。然后研究人員對這些陰極進(jìn)行壓延。經(jīng)過重壓，陰極厚度減少近三分之二，但這些通道仍然完好無損！

當(dāng)把這些陰極材料組裝成完整的鋰硫電池時(shí)，其體積性能正如預(yù)期的那樣翻了一番。而且它們的充放電速度很快。即使只有15分鐘，它們也能提供很高的容量，而這通常是鋰硫電池難以做到的。 

這項(xiàng)研究提供了一種安全、經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的解決方案。它證明，電池不必在小巧緊湊和快速充電之間做出取舍，兩者可以兼得。這對鋰硫電池的發(fā)展具有重要意義。