近年來，鋰電池不斷改變?nèi)藗兊纳罘绞?，但仍不能完全滿足當(dāng)前和未來世界的需求。比如，電動車電池只能保證6-8年/1000-1500次充放電的高性能壽命；低溫使用會加速電池變壞；儲能電站和極端環(huán)境儲能場景需要電池壽命提升一個數(shù)量級；即將到來的大規(guī)模電池退役回收，可能造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。

面對這些緊迫問題，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、纖維材料與器件研究院、高分子科學(xué)智能中心彭慧勝/高悅團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)四年多時間，持續(xù)尋找解決之道，思考可否通過“精準(zhǔn)治療”，延長鋰電池的壽命、減少電池報廢污染。

研究成果重塑電池壽命規(guī)律  本文圖均為 復(fù)旦大學(xué) 供圖

北京時間2月13日0時，團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果以《外部供鋰技術(shù)突破電池的缺鋰?yán)Ь澈蛪勖缦蕖罚ā癊xternal Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries”）為題在《自然》（Nature）主刊上發(fā)表。該研究成功設(shè)計了從未被報道過的鋰載體分子，將電池活性載流子和電極材料解耦。這種載體分子就像藥物一樣，可以通過“打一針”的方式注入到廢舊衰減的電池中，精準(zhǔn)補(bǔ)充電池中損失的鋰離子，實(shí)現(xiàn)容量的恢復(fù)，對電池進(jìn)行“精準(zhǔn)治療”而不是“宣布死亡”，為退役電池的處理提供了一種新方式。

高悅向澎湃新聞（www.6773257.com）記者介紹道，電池中的活性鋰離子由正極材料提供，鋰離子損失消耗到一定程度后電池報廢，是鋰離子電池自1990年問世以來一直遵循的基本原則。

自1990年以來固定的電池材料和結(jié)構(gòu)框架

“我們深入分析了電池基本原理，并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)電池衰減和人生病一樣，是某個核心組件發(fā)生了異常，其他部分仍舊保持完好。那為什么不像治病一樣，開發(fā)變革性功能材料，對電池也進(jìn)行精準(zhǔn)、原位無損的鋰離子補(bǔ)充，在不破壞電池的情況下把鋰離子補(bǔ)回去，從而大幅延長它的壽命和服役時間？我們想到了‘精準(zhǔn)治療’這一方法，來代替過去的報廢回收?！备邜偙硎?，基于這一設(shè)想，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研究范式，利用AI的“超級大腦”結(jié)合化學(xué)信息學(xué)，將分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)字化，通過引入有機(jī)化學(xué)、電化學(xué)、材料工程技術(shù)方面的大量關(guān)聯(lián)性質(zhì)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，利用非監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)，進(jìn)行分子推薦和預(yù)測，成功獲得了從未被報道的鋰離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li）。這種載體分子通過“打一針”的方式注入到廢舊衰減的電池中，精準(zhǔn)補(bǔ)充電池中損失的鋰離子，電池在充放電上萬次后仍展現(xiàn)出接近出廠時的健康狀態(tài)，循環(huán)壽命從目前的500-2000圈提升到超過12000-60000圈，這在國際上尚無先例。

合成這種分子后，團(tuán)隊(duì)又驗(yàn)證了其具備各種嚴(yán)苛的性能要求，且成本低易合成，和各類電池活性材料、電解液以及其他組分有良好的兼容性，成功在軟包、圓柱、方殼和纖維狀鋰離子電池器件上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

AI輔助的功能有機(jī)分子設(shè)計

記者了解到，研究團(tuán)隊(duì)一直致力于開展“分子-機(jī)制-材料-器件”的全鏈條工作，以期讓具有變革性的基礎(chǔ)研究解決實(shí)際問題，讓科研成果“落到實(shí)處”。因此研究相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都是在真實(shí)電池器件而非模型上完成，以此充分暴露可能的問題并予以解決，從而推動下一步的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。比如提升分子反應(yīng)動力學(xué)以避免影響電池的化成速度；探索化學(xué)制備反應(yīng)路徑，能夠低成本、精準(zhǔn)合成高純度分子。團(tuán)隊(duì)正在開展鋰離子載體分子的宏量制備，并與國際頂尖電池企業(yè)合作，力爭將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和商品，助力國家在新能源領(lǐng)域的引領(lǐng)性發(fā)展。

新概念設(shè)想對分子結(jié)構(gòu)要求苛刻

“長遠(yuǎn)來看，這一發(fā)明將對可持續(xù)發(fā)展有巨大意義，能夠減少大量電池報廢引發(fā)的環(huán)境污染。未來，這一技術(shù)也有希望應(yīng)用于大規(guī)模儲能上，解決電動車電池壽命不足的問題。用戶也能獲得更好的體驗(yàn)，買到的電池在三年之內(nèi)不會快速掉電。”高悅在采訪中表示。

復(fù)旦大學(xué)為獨(dú)立通訊單位，彭慧勝和高悅為該論文通訊作者，高分子科學(xué)系博士研究生陳舒為第一作者，合作單位包括南開大學(xué)、湖南工程學(xué)院和深圳大學(xué)，研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委、復(fù)旦大學(xué)科學(xué)智能專項(xiàng)基金等項(xiàng)目支持。