每經(jīng)編輯 杜宇

據(jù)復(fù)旦大學(xué)官方微信號2月13日消息，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝/高悅團隊打破鋰電池傳統(tǒng)設(shè)計原則，通過AI和有機電化學(xué)的結(jié)合，成功設(shè)計了一種鋰載體分子，讓廢舊電池“打一針”就可無損修復(fù)將鋰電池壽命提升1~2個數(shù)量級，為電池產(chǎn)業(yè)變革提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖片來源：復(fù)旦大學(xué)官方微信號

成果以《外部供鋰技術(shù)突破電池的缺鋰困境和壽命界限》（External Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries）為題，于北京時間2月13日凌晨在《自然》（Nature）上發(fā)表。

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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。但在這一原則下，鋰電池已不能滿足人類當(dāng)前和未來的用電需求。

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)境的污染和資源的浪費。

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面對這些現(xiàn)實且緊迫的問題，彭慧勝/高悅團隊一直思考如何通過基礎(chǔ)研究創(chuàng)新來提供解決方案。通過原理分析和大量實驗驗證，他們發(fā)現(xiàn)電池衰減的核心原因是活性鋰離子減少，而其他組分依舊完好。

“那為什么不像治病一樣，開發(fā)變革性分子藥物，對電池也進行精準、原位無損的鋰離子補充，從而大幅延長它的壽命和服役時間，而不是判定‘死亡’、報廢回收？”在沒有研究先例支撐的情況下，團隊大膽設(shè)想——打破電池基礎(chǔ)設(shè)計原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，設(shè)計一種鋰載體分子，將其注射進電池，對電池中的鋰離子進行單獨管控。

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，精準補充電池中損失的鋰離子，實現(xiàn)電池容量的無損修復(fù)，為退役電池的處理提供了一種新方式。

使用這一技術(shù)，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)（96%容量），循環(huán)壽命從目前的500-2000圈提升到超過12000-60000圈，在國際上尚屬首例。此外，電池材料必須含鋰的束縛規(guī)則也被打破，使用綠色、不含重金屬的材料構(gòu)筑電池成為可能。

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為電池“打針”以補充鋰離子的設(shè)想很清晰，難題在于如何“對癥下藥”。

實現(xiàn)鋰載體分子的設(shè)想，需要分子具備嚴格且復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)，包括分子的電化學(xué)活性、分解電壓的范圍、溶解度、空氣穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、酸堿性、分解產(chǎn)物的成分、反應(yīng)動力學(xué)、分子可合成性和成本。這樣的分子機制學(xué)界尚無先例，無法通過傳統(tǒng)研究范式，即依靠經(jīng)驗和直覺進行設(shè)計。為此，團隊采用了人工智能輔助的全新能源分子設(shè)計方法。

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歷時四年多的探索，團隊成功結(jié)合AI和有機電化學(xué)，將分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)字化，通過引入有機化學(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)督機器學(xué)習(xí)，進行分子推薦和預(yù)測，成功獲得了從未被報道的鋰載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li），讓AI for Science理念真正落地。

在傳統(tǒng)認知中，通用有機分子庫中的不同分子在生命健康、化學(xué)化工等領(lǐng)域“各司其職”。“電池領(lǐng)域的有機分子數(shù)據(jù)庫是不存在的，所以我們利用電化學(xué)和化學(xué)信息學(xué)知識尋找和收集了大量具有潛在功能的分子片段，將其化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字符號，并將它們重新組合、生成新的分子，形成具備特定性質(zhì)的能源分子庫。”高悅介紹。

合成這種分子后，團隊驗證了其符合鋰離子載體所需的各種嚴苛性能要求，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現(xiàn)應(yīng)用。

目前，鋰載體分子已通過初期實驗驗證，預(yù)計在電池總成本中占比不到10%，具備大規(guī)模商用潛力，可用于補鋰、儲能、光儲一體化。團隊正在開展鋰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。

“如果未來能夠通過‘打針’修復(fù)電池，讓電池實現(xiàn)循環(huán)使用，就可以從源頭解決電池大規(guī)模報廢的問題，使產(chǎn)業(yè)生態(tài)走向智能化、環(huán)?；?。”團隊期待該項成果早日走向應(yīng)用，為推動經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

據(jù)央視新聞，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系研究團隊成員 高悅：我們的技術(shù)可以實現(xiàn)精準治療，使它能在使用之后，還能夠恢復(fù)到初始的狀態(tài)。一個商用的磷酸鐵鋰電池，按照以往來說，在使用2000次之后，就會容量衰減、報廢。有了這項技術(shù)，可以使它在使用12000次之后，還能夠保持一個接近于初始電池的“健康”狀態(tài)。

這個像“藥物”一樣的鋰載體分子是怎么找出來的呢？科研團隊利用人工智能技術(shù)結(jié)合化學(xué)知識，將分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)字化，通過引入有機化學(xué)、材料工程技術(shù)等方面大量的關(guān)聯(lián)知識，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，在多次實驗后獲得了這種新的鋰離子載體分子。

復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系研究團隊成員 高悅：這種分子不僅修復(fù)商用電池的效果非常好，成本也非常低，它還可以幫助開發(fā)新的綠色電池。

目前，這項技術(shù)已經(jīng)通過多種電池的測試，并與國際頂尖電池公司展開合作，希望能盡快應(yīng)用到實際生活中。

另據(jù)央視新聞此前消息，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所科研團隊在全固態(tài)鋰電池領(lǐng)域取得突破，有望讓電子設(shè)備小型化、長續(xù)航的夢想成為現(xiàn)實。這一成果2024年7月31日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然-能源》發(fā)表。

這種電池使用固態(tài)電解質(zhì)，而不是液體，這使得它們更安全。

這種新材料兼具高離子電導(dǎo)率、高電子電導(dǎo)率，比傳統(tǒng)的電池材料（層狀氧化物正極材料）高出1000倍以上。這意味著，即便不依賴導(dǎo)電助劑，正極也能順暢地完成充放電過程，顯著提升了電池的整體性能。

全固態(tài)鋰電池聽起來很理想，實則研發(fā)中也面臨一些問題，主要是電池正極內(nèi)部的不同材料在化學(xué)和物理性質(zhì)上很難完美匹配，產(chǎn)生多種界面問題，進而影響電池的能量密度和使用壽命。為了解決這個問題，科研團隊開發(fā)了一種新的材料——均質(zhì)化正極材料（鋰鈦鍺磷硫硒）。

這項研究對開發(fā)高能量密度、長使用壽命的儲能設(shè)備，為新能源汽車、儲能電網(wǎng)、深海深空裝備等提供安全、耐久的動力源提供了技術(shù)支撐，對開發(fā)新型儲能體系等具有重要意義。

二級市場上，2月13日，鋰電池概念股表現(xiàn)活躍，截至2月13日午盤，瑞泰新材、領(lǐng)湃科技，20%漲停。力王股份漲超18%，貝瑞特、靈鴿科技等漲超10%。

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