當(dāng)鋰電池的壽命即將終結(jié)時(shí)，為它“注射”一針新分子，就能使它恢復(fù)原本的充電容量，甚至使得原本只能保證6-8年/1000-1500次充放電的電池，維持1萬(wàn)次充放電，且電池健康水平與出廠時(shí)幾乎仍然一樣。這是復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程全國(guó)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)完成的最新成果。

相關(guān)研究以《外部供鋰技術(shù)突破電池的缺鋰?yán)Ь澈蛪勖缦蕖?“External Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries”)為題，2月13日發(fā)表在《自然》主刊。

從1千到1萬(wàn)

鋰電池在生活中越來(lái)越重要，但關(guān)于鋰電池，卻有許多未解的難題。比如，電動(dòng)車(chē)電池的壽命有限、低溫使用加速電池?fù)p壞、儲(chǔ)能電站和極端環(huán)境儲(chǔ)能場(chǎng)景對(duì)電池壽命的需求提升至少一個(gè)數(shù)量級(jí)等，更不用說(shuō)，隨著新能源相關(guān)行業(yè)發(fā)展，我們很快會(huì)面臨大規(guī)模電池退役回收，而這很可能造成環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。

如何延長(zhǎng)鋰電池的壽命?彭慧勝、高悅團(tuán)隊(duì)一直在思考如何通過(guò)基礎(chǔ)研究創(chuàng)新來(lái)提供解決方案。此次團(tuán)隊(duì)提出了打破電池基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，通過(guò)AI和有機(jī)電化學(xué)的結(jié)合，成功設(shè)計(jì)了新的鋰載體分子，將電池活性載流子和電極材料解耦。

“這一鋰載體分子從未被公開(kāi)報(bào)道過(guò)。”高悅告訴記者。但是這種載體分子可以像藥物一樣，通過(guò)“打針”的方式注入廢舊衰減的電池中，精準(zhǔn)補(bǔ)充電池中損失的鋰離子，恢復(fù)容量。使用這一技術(shù)，電池在充放電上萬(wàn)次后仍接近出廠時(shí)的健康狀態(tài)，循環(huán)壽命從目前的500-2000圈提升到超過(guò)12000-60000圈。

更重要的是，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。

基礎(chǔ)科學(xué)與AI研究范式的結(jié)合

電池中的活性鋰離子由正極材料提供，鋰離子損耗到一定程度后電池就不得不報(bào)廢，這是鋰離子電池自1990年問(wèn)世以來(lái)一直遵循的基本規(guī)律。此次團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建新分子并用于對(duì)電池的“康復(fù)”，可說(shuō)是“異想天開(kāi)”和AI研究范式的結(jié)合。

高悅告訴記者，他們通過(guò)大量驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，電池衰減和人生病一樣，是某個(gè)核心組件發(fā)生了異常，而其它部分仍然保持完好。“那為什么不能像治病那樣，為電池進(jìn)行精準(zhǔn)的、原位無(wú)損的鋰離子補(bǔ)充呢?”團(tuán)隊(duì)提出了大膽設(shè)想——設(shè)計(jì)鋰離載體分子，將其注射進(jìn)電池。

但是，目前人類(lèi)已知的任何分子都不具備這樣的功能，同樣也無(wú)法依靠理論和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為此，團(tuán)隊(duì)利用AI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，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(kù)，利用非監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)，進(jìn)行分子推薦和預(yù)測(cè)，成功獲得了從未被報(bào)道的鋰離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰(CF3SO2Li)。

團(tuán)隊(duì)合成新分子后，驗(yàn)證了其具備各種嚴(yán)苛的性能要求，且成本低、易合成。同時(shí)針對(duì)現(xiàn)實(shí)需求，團(tuán)隊(duì)研究相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都在真實(shí)電池器件上完成。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，這一分子和解決方案與各類(lèi)電池活性材料、電解液以及其他組分都有良好的兼容性，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。

目前，團(tuán)隊(duì)正開(kāi)展鋰離子載體分子的宏量制備，并與國(guó)際頂尖電池企業(yè)合作，力爭(zhēng)將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和商品，助力國(guó)家在新能源領(lǐng)域的引領(lǐng)性發(fā)展。

復(fù)旦大學(xué)為這一成果的獨(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(kāi)大學(xué)、湖南工程學(xué)院和深圳大學(xué)，研究得到科技部、國(guó)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。