鋰載體新分子制備試驗。
盧力媛攝
手機、電腦、電動車……如今，眾多“以電為生”的設備成為人們生活、辦公、出行的必需品。鋰電池則是這些設備的主要供能方式之一。然而，隨著充放電次數的增加，鋰電池也會隨之衰老甚至損壞，給人們帶來電量不足的焦慮。此外，報廢電池還可能造成環境污染和資源浪費。人類生病需要打針吃藥才能康復，那可否給“衰老生病”的電池也打上一針，讓其“滿血復活”?這個聽起來有點科幻的想法近日被我國科學家成功實現。
復旦大學彭慧勝團隊、高悅團隊，通過將AI與有機電化學結合，成功設計了鋰載體分子。該載體分子就像藥物一樣，可以通過“打針”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，恢復電池容量。利用該技術，電池在充放電上萬次后仍展現出接近出廠時的健康狀態，循環壽命從目前的500—2000圈提升到超過12000—60000圈。2月13日，相關研究成果發表于《自然》雜志。
像治病一樣診治退役電池
鋰電池依靠鋰離子在正極和負極之間的移動工作。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會報廢。這是鋰電池自1990年問世以來一直遵循的基本原則。
隨著鋰電池應用越來越多，大規模電池退役回收成為迫在眉睫的問題。此外，儲能電站和極端環境等儲能場景也需要將電池壽命提升一個數量級。延長鋰電池壽命成為亟待解決的關鍵難題。
為了找到給鋰電池“延年益壽”的方法，彭慧勝團隊、高悅團隊深入分析了電池基本原理，并進行了大量驗證實驗。他們發現，電池衰減和人生病一樣，是因為某個核心組件發生了異常，但其他部分仍舊保持完好。
“那為什么不能像治病一樣，開發變革性功能材料，對電池進行精準、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?”做過抗腫瘤疫苗研究的高悅突發奇想。
作為復旦大學高分子科學系研究員和博士生導師，高悅有著豐富的“跨界”研究經歷：“我本科研究天然產物全合成，博士期間研究新能源電池，博士后又研究過一些供極端場景使用的電池設計和3D打印高分子材料。”廣泛的學科涉獵，對于打破既定思維框架，以及推動研究工作產生了巨大的助力。
此前，高悅團隊就突破固定思維，成功把傳統電池4至12個小時的充電時間壓縮至1分鐘，解決了機器人充電時間長的問題。面對鋰電池“延壽”的問題，在沒有任何研究先例支撐的情況下，團隊又一次大膽設想——設計鋰載體分子并將其注射進電池，對電池中的鋰離子進行單獨管控，創新性地為退役電池的處理提供了一種新方式。
AI賦能鋰載體分子制備
“打針”的方法看似簡單，但要依此制備鋰載體分子，并非易事。“這個運送鋰離子的載體需要具備嚴苛的物理化學性質。團隊設計時需要考慮分子的電化學活性、分解電壓的范圍、溶解度、空氣穩定性、化學穩定性等多個方面。”高悅介紹。但用傳統研究范式設計要滿足這么多嚴苛要求的分子，無異于大海撈針。
傳統方法走不通，團隊選擇獨辟蹊徑。團隊成員擁有有機化學、電化學、材料、人工智能等學科背景，多元化“跨界”讓這支團隊在研究過程中不斷迸發火花。
團隊利用AI結合化學信息學，將分子結構和性質數字化，通過引入有機化學、電化學、材料工程技術方面的大量關聯性數據，構建數據庫。隨后，他們利用非監督機器學習，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。
經驗證，三氟甲基亞磺酸鋰符合各種嚴苛的性能要求，且成本低、易合成。其與各類電池活性材料、電解液以及其他組分有良好的兼容性，可成功在軟包、圓柱、方殼和纖維狀鋰離子電池器件上實現應用。
“三氟甲基亞磺酸鋰不僅能給電池‘補鋰’，補完后還會變成氣體排出來，可以繼續回收用來制備三氟甲基亞磺酸鋰，形成能量閉環。這不僅環保還可以大大降低電池的價格。”高悅介紹，團隊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合作，力爭將技術轉化為產品和商品。
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