當鋰電池的壽命即將終結(jié)時，為它“注射”一針新分子，就能使它恢復原本的充電容量，甚至使得原本只能保證6-8年/1000-1500次充放電的電池，維持1萬次充放電，且電池健康水平與出廠時幾乎仍然一樣。這是復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程全國重點實驗室、纖維材料與器件研究院、高分子科學智能中心彭慧勝/高悅團隊完成的最新成果。

相關(guān)研究以《外部供鋰技術(shù)突破電池的缺鋰困境和壽命界限》(“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

鋰電池在生活中越來越重要，但關(guān)于鋰電池，卻有許多未解的難題。比如，電動車電池的壽命有限、低溫使用加速電池損壞、儲能電站和極端環(huán)境儲能場景對電池壽命的需求提升至少一個數(shù)量級等，更不用說，隨著新能源相關(guān)行業(yè)發(fā)展，我們很快會面臨大規(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。

如何延長鋰電池的壽命?彭慧勝、高悅團隊一直在思考如何通過基礎研究創(chuàng)新來提供解決方案。此次團隊提出了打破電池基礎設計原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，通過AI和有機電化學的結(jié)合，成功設計了新的鋰載體分子，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報道過。”高悅告訴記者。但是這種載體分子可以像藥物一樣，通過“打針”的方式注入廢舊衰減的電池中，精準補充電池中損失的鋰離子，恢復容量。使用這一技術(shù)，電池在充放電上萬次后仍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。

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。

基礎科學與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廢，這是鋰離子電池自1990年問世以來一直遵循的基本規(guī)律。此次團隊通過構(gòu)建新分子并用于對電池的“康復”，可說是“異想天開”和AI研究范式的結(jié)合。

高悅告訴記者，他們通過大量驗證發(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，而其它部分仍然保持完好。“那為什么不能像治病那樣，為電池進行精準的、原位無損的鋰離子補充呢?”團隊提出了大膽設想——設計鋰離載體分子，將其注射進電池。

但是，目前人類已知的任何分子都不具備這樣的功能，同樣也無法依靠理論和經(jīng)驗進行設計。

為此，團隊利用AI結(jié)合化學信息學，將分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)字化，引入有機化學、電化學、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)督機器學習，進行分子推薦和預測，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)。

團隊合成新分子后，驗證了其具備各種嚴苛的性能要求，且成本低、易合成。同時針對現(xiàn)實需求，團隊研究相關(guān)的驗證實驗都在真實電池器件上完成。驗證發(fā)現(xiàn)，這一分子和解決方案與各類電池活性材料、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現(xiàn)應用。

目前，團隊正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域的引領性發(fā)展。

復旦大學為這一成果的獨立通訊單位，彭慧勝和高悅為該論文通訊作者，高分子科學系博士研究生陳舒為第一作者，合作單位包括南開大學、湖南工程學院和深圳大學，研究得到科技部、國家自然科學基金委、上海市科委、復旦大學科學智能專項基金等項目支持。