從手機(jī)、電車到儲(chǔ)能電站，鋰電池在人們生活中無(wú)處不在。但由于在使用過(guò)程中不斷損失鋰離子最長(zhǎng)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(duì)打破鋰電池傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，通過(guò)AI和有機(jī)電化學(xué)的結(jié)合，成功設(shè)計(jì)了一種鋰載體分子。讓廢舊電池“打一針”就可無(wú)損修復(fù)將鋰電池壽命提升1-2個(gè)數(shù)量級(jí)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缦蕖罚‥xternal Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries）為題，于北京時(shí)間2月13日凌晨在《自然》（Nature）上發(fā)表。

01“精準(zhǔn)治療”：給舊電池打“強(qiáng)心針”，循環(huán)壽命提升1-2個(gè)數(shù)量級(jí)

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(bào)廢，是鋰離子電池自1990年問(wèn)世以來(lái)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(lái)的用電需求。

比如，電動(dòng)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(huì)加速電池變壞；儲(chǔ)能電站和極端環(huán)境儲(chǔ)能場(chǎng)景需要電池壽命提升一個(gè)數(shù)量級(jí)；即將到來(lái)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(duì)這些現(xiàn)實(shí)且緊迫的問(wèn)題，彭慧勝/高悅團(tuán)隊(duì)一直思考如何通過(guò)基礎(chǔ)研究創(chuàng)新來(lái)提供解決方案。通過(guò)原理分析和大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(kāi)發(fā)變革性分子藥物，對(duì)電池也進(jìn)行精準(zhǔn)、原位無(wú)損的鋰離子補(bǔ)充，從而大幅延長(zhǎng)它的壽命和服役時(shí)間，而不是判定‘死亡’、報(bào)廢回收？”在沒(méi)有研究先例支撐的情況下，團(tuán)隊(duì)大膽設(shè)想——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，設(shè)計(jì)一種鋰載體分子，將其注射進(jìn)電池，對(duì)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(guò)“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(shí)現(xiàn)電池容量的無(wú)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(wàn)次后仍展現(xiàn)出接近出廠時(shí)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(guò)12000-60000圈，在國(guó)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

02“無(wú)中生有”：創(chuàng)新研究范式，利用AI設(shè)計(jì)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(duì)癥下藥”。

實(shí)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(dòng)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(wú)先例，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)研究范式，即依靠經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為此，團(tuán)隊(duì)采用了人工智能輔助的全新能源分子設(shè)計(jì)方法。

歷時(shí)四年多的探索，團(tuán)隊(duì)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(guò)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(kù)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(kù)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(shí)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(hào)，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(kù)。”高悅介紹。

合成這種分子后，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

03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(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)展“分子-機(jī)制-材料-器件”的全鏈條工作，是團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)定的目標(biāo)。

秉持解決實(shí)際問(wèn)題的宗旨，研究相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都是在真實(shí)電池器件而非模型上完成，以此充分暴露可能的問(wèn)題并予以解決，從而推動(dòng)下一步的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，比如提升分子反應(yīng)動(dòng)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(guò)初期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)計(jì)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(chǔ)能、光儲(chǔ)一體化。團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展鋰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。

“如果未來(lái)能夠通過(guò)‘打針’修復(fù)電池，讓電池實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，就可以從源頭解決電池大規(guī)模報(bào)廢的問(wèn)題，使產(chǎn)業(yè)生態(tài)走向智能化、環(huán)保化。”團(tuán)隊(duì)期待該項(xiàng)成果早日走向應(yīng)用，為推動(dòng)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)高分子科學(xué)系彭慧勝/高悅團(tuán)隊(duì)

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(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(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。