当前市场对充电速度更快、更薄、更便宜的电池需求旺盛。人们希望电动汽车和电动自行车续航里程更长，希望电池的使用寿命更长、充电速度更快、成本更低。如今，锂离子电池（LIB）是行业标杆。但经过数十年的研究，这项技术已接近极限，而且每一次新突破都愈发难以实现。

图片来源：《Small Structures》

锂硫（Li-S）电池是极具前景的下一代技术。与锂离子电池相比，锂硫电池单位重量储存的能量更多，而且由廉价、易得的材料制成。但问题在于，目前的锂硫电池体积比锂离子电池大1.5到2倍。换句话说，锂硫电池的体积容量要低得多。这是一个严重的瓶颈，因为在许多实际应用中，空间比重量更重要。从便携式电子产品、电动汽车到航空航天系统，每一寸空间都至关重要。

虽然锂硫电池可以储存大量能量，但主要挑战在于硫阴极内部的电化学反应缓慢，锂离子在内部微观结构中移动缓慢。为了弥补这一缺陷，研究人员（通常）会刻意增加硫阴极的孔隙率，使整个体系“充满”孔隙，从而为离子提供充足的移动空间。然而，这种额外的空间会使电极增厚，降低体积性能。

就目前而言，锂离子电池在单位体积内能储存多少能量方面树立了黄金标准。锂离子电池体积小巧的原因有两个：首先，其材料本身密度就更高；其次，锂离子电池电极可以通过一种称为压延的工艺进行致密化和压缩。

压延工艺有点像用大擀面杖擀面团，它利用两个大轧辊将电极压平，从而减小其厚度。这是实验室和工厂的常规工序。然而，这种处理方法对硫阴极并不适用。通过挤压颗粒间的孔隙，会减少离子移动的空间。对硫阴极压缩程度越大，其性能就越差。

据外媒报道，最近发表在《Small Structures》期刊上的研究成果彻底颠覆了这一难题。研究证明，硫阴极可以在不牺牲性能的前提下做得更薄，这点长期以来一直是该领域的难题。研究人员没有依赖阴极内部的随机孔隙，而是提出了这样一个设想：能否制造出结构紧凑的硫阴极，同时又能保持快速的离子传输？

该解决方案的研究人员重新思考了粘合剂的作用，不再将其视为仅仅将阴极粘合在一起的惰性成分，而是将其用作结构模板。研究发现，通过在致密压延处理后的阴极内部构建微观通道，可以为离子移动保留空间。预先设计的内置通道为离子移动留出了空间，但材料本身却紧密排列。换句话说，研究人员把通道做得宽阔畅通，让离子有清晰的路径通行，而其他一切则紧密地排列在一起。

还有一个问题就是：能否用廉价的现成材料，无需复杂的制造工艺来解决这个问题？这个不可思议的灵感来源于蛋白酥。当蛋清被打发时，会形成一层细密的气泡网络，将空气包裹其中。研究人员由此想到，这些气泡能否成为离子的通道呢？

为了验证这个想法，研究人员尝试在实验室里重现这种厨房化学反应。通过将纤维素衍生物与一种类似蛋清中的球状蛋白质混合搅拌，研究人员制成了丝滑的泡沫。

当蛋白质展开时，其疏水性内部会暴露出来，吸附在空气-水界面，降低表面张力并捕获微小的（微米级）气泡。然而，与甜点不同，研究人员设计的这种“蛋白质泡沫粘合剂”坚韧、富有弹性且粘性强，是电池的理想材料。

研究人员将这种泡沫与硫和碳混合，制成浓稠的油墨，并将其涂覆在集流体上。干燥过程中，气泡破裂，但由于油墨粘稠，留下了狭窄的圆柱形通道。然后研究人员对这些阴极进行压延。经过重压，阴极厚度减少近三分之二，但这些通道仍然完好无损！

当把这些阴极材料组装成完整的锂硫电池时，其体积性能正如预期的那样翻了一番。而且它们的充放电速度很快。即使只有15分钟，它们也能提供很高的容量，而这通常是锂硫电池难以做到的。 

这项研究提供了一种安全、经济且环保的解决方案。它证明，电池不必在小巧紧凑和快速充电之间做出取舍，两者可以兼得。这对锂硫电池的发展具有重要意义。