锂电池的最长寿命通常只有6至8年，这使得锂电池已不能满足人类当前和未来的用电需求，而即将到来的大规模电池退役回收还可能造成环境的污染。面对这一难题，复旦大学高分子科学系彭慧胜/高悦团队打破锂电池传统设计原则，通过AI和有机电化学的结合，成功设计了一种锂载体分子，让废旧电池“打一针”就可无损修复，将锂电池寿命提升1-2个数量级，为电池产业变革提供关键技术支撑。
北京时间2月13日凌晨，该研究成果以《外部供锂技术突破电池的缺锂困境和寿命界限》（External Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries）为题在《自然》（Nature）上发表。
电池中的活性锂离子由正极材料提供，锂离子损失消耗到一定程度后电池报废，是锂离子电池自1990年问世以来一直遵循的基本原则。通过原理分析和大量实验验证，彭慧胜/高悦团队发现电池衰减的核心原因是活性锂离子减少，而其他组分依旧完好。
“那为什么不像治病一样，开发变革性分子药物，对电池也进行精准、原位无损的锂离子补充，从而大幅延长它的寿命和服役时间，而不是判定‘死亡’、报废回收？”在没有研究先例支撑的情况下，团队大胆设想——打破电池基础设计原则中锂离子依赖共生于正极材料的理论，设计一种锂载体分子，将其注射进电池，对电池中的锂离子进行单独管控。
这种载体分子就像药物一样，可以通过“打一针”的方式注入到废旧衰减的电池中，精准补充电池中损失的锂离子，实现电池容量的无损修复，为退役电池的处理提供了一种新方式。
使用这一技术，电池在充放电上万次后仍展现出接近出厂时的健康状态（96%容量），循环寿命从目前的500-2000圈提升到超过12000-60000圈，在国际上尚属首例。此外，电池材料必须含锂的束缚规则也被打破，使用绿色、不含重金属的材料构筑电池成为可能。
“无中生有”：创新研究范式，利用AI设计复杂有机分子
为电池“打针”以补充锂离子的设想很清晰，难题在于如何“对症下药”。
实现锂载体分子的设想，需要分子具备严格且复杂的物理化学性质，包括分子的电化学活性、分解电压的范围、溶解度、空气稳定性、化学稳定性、酸碱性、分解产物的成分、反应动力学、分子可合成性和成本。这样的分子机制学界尚无先例，无法通过传统研究范式，即依靠经验和直觉进行设计。为此，团队采用了人工智能辅助的全新能源分子设计方法。
历时四年多的探索，团队成功结合AI和有机电化学，将分子结构和性质数字化，通过引入有机化学、电化学、材料工程技术方面的大量关联性质，构建数据库，利用非监督机器学习，进行分子推荐和预测，成功获得了从未被报道的锂载体分子——三氟甲基亚磺酸锂（CF3SO2Li）。
合成这种分子后，团队验证了其符合锂离子载体所需的各种严苛性能要求，且成本低、易合成，和各类电池活性材料、电解液以及其他组分有良好的兼容性，成功在软包、圆柱、方壳和纤维状锂离子电池器件上实现应用。
走向应用：成本占比不到10%，具备大规模商用潜力
目前，锂载体分子已通过初期实验验证，预计在电池总成本中占比不到10%，具备大规模商用潜力，可用于补锂、储能、光储一体化。团队正在开展锂载体分子的宏量制备，并与国际顶尖电池企业合作，力争将技术转化为产品和商品，助力国家在新能源领域的引领性发展。
“如果未来能够通过‘打针’修复电池，让电池实现循环使用，就可以从源头解决电池大规模报废的问题，使产业生态走向智能化、环保化。”团队期待该项成果早日走向应用，为推动经济可持续发展和环境保护提供关键技术支撑。
文/广州日报新花城记者：周裕妩 通讯员：殷梦昊 曾译萱
图片来自复旦大学
广州日报新花城编辑：陈庆辉
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