中國團隊新發現:鋰電池「打一針」就能「重生」
來源：倍可親(backchina.com)據復旦大學官方微信號2月13日消息，復旦大學高分子科學系彭慧勝/高悅團隊打破鋰電池傳統設計原則，通過AI和有機電化學的結合，成功設計了一種鋰載體分子，讓廢舊電池「打一針」就可無損修復將鋰電池壽命提升1~2個數量級，為電池產業變革提供關鍵技術支撐。
圖片來源：復旦大學官方微信號成果以《外部供鋰技術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，於北京時間2月13日凌晨在《自然》（Nature）上發表。
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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；儲能電站和極端環境儲能場景需要電池壽命提升一個數量級；即將到來的大規模電池退役回收，可能造成環境的污染和資源的浪費。
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面對這些現實且緊迫的問題，彭慧勝/高悅團隊一直思考如何通過基礎研究創新來提供解決方案。通過原理分析和大量實驗驗證，他們發現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。
「那為什麼不像治病一樣，開發變革性分子藥物，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，團隊大膽設想——打破電池基礎設計原則中鋰離子依賴共生於正極材料的理論，設計一種鋰載體分子，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，實現電池容量的無損修復，為退役電池的處理提供了一種新方式。
使用這一技術，電池在充放電上萬次后仍展現出接近出廠時的健康狀態（96%容量），循環壽命從目前的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則也被打破，使用綠色、不含重金屬的材料構築電池成為可能。
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為電池「打針」以補充鋰離子的設想很清晰，難題在於如何「對症下藥」。
實現鋰載體分子的設想，需要分子具備嚴格且複雜的物理化學性質，包括分子的電化學活性、分解電壓的範圍、溶解度、空氣穩定性、化學穩定性、酸鹼性、分解產物的成分、反應動力學、分子可合成性和成本。這樣的分子機制學界尚無先例，無法通過傳統研究範式，即依靠經驗和直覺進行設計。為此，團隊採用了人工智慧輔助的全新能源分子設計方法。
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歷時四年多的探索，團隊成功結合AI和有機電化學，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質，構建資料庫，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。
在傳統認知中，通用有機分子庫中的不同分子在生命健康、化學化工等領域「各司其職」。「電池領域的有機分子資料庫是不存在的，所以我們利用電化學和化學信息學知識尋找和收集了大量具有潛在功能的分子片段，將其化學信息轉化為數字元號，並將它們重新組合、生成新的分子，形成具備特定性質的能源分子庫。」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應用。
目前，鋰載體分子已通過初期實驗驗證，預計在電池總成本中佔比不到10%，具備大規模商用潛力，可用於補鋰、儲能、光儲一體化。團隊正在開展鋰載體分子的宏量製備，並與國際頂尖電池企業合作，力爭將技術轉化為產品和商品，助力國家在新能源領域的引領性發展。
「如果未來能夠通過『打針』修複電池，讓電池實現循環使用，就可以從源頭解決電池大規模報廢的問題，使產業生態走向智能化、環保化。」團隊期待該項成果早日走嚮應用，為推動經濟可持續發展和環境保護提供關鍵技術支撐。
據央視新聞，復旦大學高分子科學系研究團隊成員 高悅：我們的技術可以實現精準治療，使它能在使用之後，還能夠恢復到初始的狀態。一個商用的磷酸鐵鋰電池，按照以往來說，在使用2000次之後，就會容量衰減、報廢。有了這項技術，可以使它在使用12000次之後，還能夠保持一個接近於初始電池的「健康」狀態。
這個像「藥物」一樣的鋰載體分子是怎麼找出來的呢？科研團隊利用人工智慧技術結合化學知識，將分子結構和性質數字化，通過引入有機化學、材料工程技術等方面大量的關聯知識，構建資料庫，在多次實驗后獲得了這種新的鋰離子載體分子。
復旦大學高分子科學系研究團隊成員 高悅：這種分子不僅修復商用電池的效果非常好，成本也非常低，它還可以幫助開發新的綠色電池。
目前，這項技術已經通過多種電池的測試，並與國際頂尖電池公司展開合作，希望能儘快應用到實際生活中。
另據央視新聞此前消息，中國科學院青島生物能源與過程研究所科研團隊在全固態鋰電池領域取得突破，有望讓電子設備小型化、長續航的夢想成為現實。這一成果2024年7月31日在國際學術期刊《自然-能源》發表。
這種電池使用固態電解質，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率、高電子電導率，比傳統的電池材料（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。
全固態鋰電池聽起來很理想，實則研發中也面臨一些問題，主要是電池正極內部的不同材料在化學和物理性質上很難完美匹配，產生多種界面問題，進而影響電池的能量密度和使用壽命。為了解決這個問題，科研團隊開發了一種新的材料——均質化正極材料（鋰鈦鍺磷硫硒）。
這項研究對開發高能量密度、長使用壽命的儲能設備，為新能源汽車、儲能電網、深海深空裝備等提供安全、耐久的動力源提供了技術支撐，對開發新型儲能體系等具有重要意義。
二級市場上，2月13日，鋰電池概念股表現活躍，截至2月13日午盤，瑞泰新材、領湃科技，20%漲停。力王股份漲超18%，貝瑞特、靈鴿科技等漲超10%。