想象一下一个微型咖啡过滤器，但它可以在电池内部工作。据外媒报道，佛罗里达大学（University of Florida，UF）、普渡大学（Purdue University）和范德堡大学（Vanderbilt University）的工程师们开发出新型原子厚度的过滤器，可以阻止硫链在电池内部穿梭，这有可能开启人们期待已久的锂硫电池的希望，从而实现续航时间更长的手机、更轻的无人机、行驶更远的电动汽车。

图片来源： 期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》

虽然与传统的锂离子电池相比，锂硫电池更轻，体积更小，但其致命的缺陷是硫在系统内部无法很好地协同工作。它会结成长长的硫链，堵塞系统，耗尽电池电量并缩短其使用寿命。

而改高性能过滤器在分子层面起作用，可解决上述问题。“它就像一个微型咖啡滤纸，或者俱乐部里的保镖，”佛罗里达大学机械与航空航天工程副教授Piran Kidambi说道。“微小的锂离子很容易穿过，但体积庞大的硫链却被阻挡了。”相关研究发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

如今，锂离子电池几乎为所有可携带物品和驾驶工具提供动力，从智能手机到电动汽车。它们性能良好，但其储能能力却受到了限制。

“锂离子电池经过长期的完善，性能也非常出色，”Kidambi说道。“但锂硫电池可以更轻，存储更多的电能。”

普通电动汽车电池重约1000磅，续航里程约为200至250英里。Kidambi表示，使用相同重量的锂硫电池，驾驶员一次充电可以行驶更远。手机的续航时间将更长，而更轻的电池可以让无人机在空中停留更长时间。

原子级过滤器

为了制作这种过滤器，研究人员采用了一种名为化学气相沉积（CVD）的方法。他们首先从一块铜箔开始，加热并使其表面流动蒸汽。化学反应生成一层石墨烯薄膜，薄膜上具有清晰的开口，将锂和硫链隔开。

当他们测试这种设计时，差异非常显著。未经过滤的电池性能开始迅速下降。而使用单原子厚度的过滤器后，电池在超过150次充放电循环中几乎保持了全部容量。

“它们的表现相当不错，”Kidambi说道。“其他电池的性能在每次充放电后都会下降，但安装了我们过滤器的电池性能保持稳定。”

超越汽车和手机

潜在的应用领域远不止消费类设备。Kidambi指出，在货运卡车、火车甚至轮船领域，电池重量都是一大障碍。

“当你从汽车转向卡车、火车或轮船时，电池重量会呈指数级增长，因为你需要更多的能量来移动它们，”Kidambi说道。“这被称为重量复合。电池的重量几乎会达到它应该移动的负载重量。”

在配备原子级薄滤光片的锂硫电池能够大规模生产并应用于日常设备之前，还有很多工作要做。“但能够证明我们能够解决问题，并且能够通过原子级工程来解决这个问题，这才是真正的科学成功，”Kidambi表示。“这让我非常兴奋。”