受人類腸道解剖學(xué)的啟發(fā)，科學(xué)家們已研發(fā)出一種新型的電池原型，這種由生物學(xué)理論支撐的方法能夠?yàn)槲覀兊臄?shù)字設(shè)備提供更為強(qiáng)大的能源來源。

我們平常應(yīng)用于智能手機(jī)和筆記本電腦的電池是鋰離子電池，而這種電池原型能提供五倍的鋰離子電池能源密度。對(duì)比來看，它運(yùn)用了鋰硫電池及腸道模擬設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能最終使得這些高能源密度的電池電量持久，足以應(yīng)用于商業(yè)范疇。

本研究由英國(guó)劍橋大學(xué)的一支團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，雖然鋰硫電池有著超高的能源密度，但其退化比鋰離子電池的退化快很多，而這項(xiàng)研究就克服了這一主要問題。

當(dāng)鋰-硫磺電池處于放電狀態(tài)時(shí)，電解時(shí)陰極中的硫磺（原電池的正極）吸收來自陽(yáng)極（原電池的負(fù)極）中的鋰。這種相互作用使得硫磺分子轉(zhuǎn)化成名為多硫化物的鏈狀結(jié)構(gòu)。

在電池經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次充電和放電的循環(huán)后，該反應(yīng)開始給陰極施壓，導(dǎo)致多硫化物結(jié)構(gòu)的小塊片斷開并進(jìn)入至電池內(nèi)連接兩極的電解質(zhì)。

一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，電池就開始退化，因?yàn)殡姵貎?nèi)部?jī)?chǔ)存能源的活躍材質(zhì)正在流失。

模擬腸道電池的靈感正是來源于此。

我們?nèi)梭w內(nèi)的小腸內(nèi)有千千萬(wàn)萬(wàn)的微小的、指狀的突出物——絨毛。這些突出物從腸壁開始在腸內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，幫助我們?cè)谙^程中吸收營(yíng)養(yǎng)。

要實(shí)現(xiàn)這種功能，這些絨毛要極大地?cái)U(kuò)大人體腸內(nèi)層的表面積，擴(kuò)大次數(shù)高達(dá)約30次。

運(yùn)用同一原理，該團(tuán)隊(duì)仿照絨毛發(fā)展了一種較輕的納米結(jié)構(gòu)材料。因此，當(dāng)多硫化物結(jié)構(gòu)破裂時(shí)，電池內(nèi)的突出物就能抓住這些破裂的物質(zhì)，避免它們流入電解質(zhì)。

這種絨毛狀的結(jié)構(gòu)層是由微小的氧化鋅金屬絲構(gòu)成的，它覆蓋了電池兩極的表面。當(dāng)電池內(nèi)的活躍物質(zhì)出現(xiàn)松散現(xiàn)象時(shí)，這些金屬絲能有效鎖住這些物質(zhì)，確保它能實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)兩極的電氣化學(xué)連接，從而避免電池的退化。

“這種結(jié)構(gòu)層看似瑣碎，但意義重大，”來自劍橋大學(xué)的材料科學(xué)家保羅·考克森（PaulCoxon）說，“它使得我們突破阻礙發(fā)展更優(yōu)電池的瓶頸，并向前進(jìn)了一大步。”

雖然鋰硫電池已發(fā)展了數(shù)年，由于硫磺會(huì)熔于電解質(zhì)導(dǎo)致電池失效，實(shí)現(xiàn)鋰硫電池技術(shù)的商業(yè)化對(duì)于任何人來說都是難題。

然而，在絨毛狀物質(zhì)的幫助下，未來鋰硫電池商業(yè)化的實(shí)現(xiàn)將不成問題。

“配以有序的納米結(jié)構(gòu)，化學(xué)功能的結(jié)構(gòu)層能在電池充電和放電的過程中鎖住并重新利用熔解的活躍物質(zhì)，這還是頭一次！”研究人員之一趙騰說。

“通過利用來源于自然世界的靈感，我們能夠找到對(duì)策，實(shí)現(xiàn)加快下一代電池發(fā)展的愿望。”

測(cè)試顯示，在200次的充電循環(huán)后，納米結(jié)構(gòu)確保電池原型每次充電循環(huán)只損失約0.05%的能源能力，這使得鋰硫電池幾乎和每次充電循環(huán)損耗平均0.025%-0.048%能力的鋰離子電池同樣的穩(wěn)定。

研究人員承認(rèn)他們的電池原型目前只用于驗(yàn)證概念，這意味著還需要好幾年的時(shí)間，鋰硫電池才能出現(xiàn)在我們的智能手機(jī)、相機(jī)和掌上游戲機(jī)中。

但既然我們知道了如何穩(wěn)定能源的載體，就意味著我們朝更強(qiáng)力的電池進(jìn)了一大步，也意味著我們正在擺脫鋰原子電池的局限性。

“這是一種把我們從一些令人困擾和尷尬的小問題中解救出來的方式，”考克森說。

“我們已經(jīng)和我的電子設(shè)備合為一體了——最終，我們只能盡力把這些設(shè)備的運(yùn)行變得更好，從而讓我們的生活更加美好。”