【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】從手機(jī)、電車到儲能電站，鋰電池在人們生活中無處不在,但由于在使用過程中不斷損失鋰離子最長壽命都只有6-8年，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝/高悅團(tuán)隊打破鋰電池傳統(tǒng)設(shè)計原則，通過AI和有機(jī)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。
 

　　成果以《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，于北京時間2月13日凌晨在《自然》(Nature)上發(fā)表。
 

 

　　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(fèi)。
 

　　面對這些現(xiàn)實且緊迫的問題，彭慧勝/高悅團(tuán)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(jìn)行精準(zhǔn)、原位無損的鋰離子補(bǔ)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(tuán)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(jìn)電池，對電池中的鋰離子進(jìn)行單獨(dú)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(zhǔn)補(bǔ)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。
 

功能有機(jī)分子三氟甲基亞磺酸鋰(CF3SO2Li)為電池補(bǔ)充鋰離子
 

　　“無中生有”：創(chuàng)新研究范式，利用AI設(shè)計復(fù)雜有機(jī)分子
 

　　為電池“打針”以補(bǔ)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(yán)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(jī)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(jìn)行設(shè)計。為此，團(tuán)隊采用了人工智能輔助的全新能源分子設(shè)計方法。
 

　　歷時四年多的探索，團(tuán)隊成功結(jié)合AI和有機(jī)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(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(rèn)知中，通用有機(jī)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(jī)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(tuán)隊驗證了其符合鋰離子載體所需的各種嚴(yán)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。
 

　　走向應(yīng)用：成本占比不到10%，具備大規(guī)模商用潛力
 

　　探索具有變革性的基礎(chǔ)研究來解決實際問題，開展“分子-機(jī)制-材料-器件”的全鏈條工作，是團(tuán)隊始終堅定的目標(biāo)。
 

　　秉持解決實際問題的宗旨，研究相關(guān)的驗證實驗都是在真實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。
 

　　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(bǔ)鋰、儲能、光儲一體化。團(tuán)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)?；?rdquo;團(tuán)隊期待該項成果早日走向應(yīng)用，為推動經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
 

　　復(fù)旦大學(xué)為獨(dú)立通訊單位，高分子科學(xué)系、聚合物分子工程全國重點(diǎn)實驗室、纖維材料與器件研究院、高分子科學(xué)智能中心彭慧勝教授和高悅青年研究員為該論文通訊作者，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)智能專項基金等項目支持。