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來源: 文匯報 當(dāng)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(fù)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(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程全國重點(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/高悅團(tuán)隊(duì)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?yán)Ь澈蛪勖缦蕖罚ā癊xternal 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?fù)p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(fèi)。 
如何延長鋰電池的壽命？彭慧勝、高悅團(tuán)隊(duì)一直在思考如何通過基礎(chǔ)研究創(chuàng)新來提供解決方案。此次團(tuán)隊(duì)提出了打破電池基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，通過AI和有機(jī)電化學(xué)的結(jié)合，成功設(shè)計(jì)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(zhǔn)補(bǔ)充電池中損失的鋰離子，恢復(fù)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(chǔ)科學(xué)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(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建新分子并用于對電池的“康復(fù)”，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(yàn)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(jìn)行精準(zhǔn)的、原位無損的鋰離子補(bǔ)充呢？”團(tuán)隊(duì)提出了大膽設(shè)想——設(shè)計(jì)鋰離載體分子，將其注射進(jìn)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(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
為此，團(tuán)隊(duì)利用AI結(jié)合化學(xué)信息學(xué)，將分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)字化，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離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li）。 團(tuán)隊(duì)合成新分子后，驗(yàn)證了其具備各種嚴(yán)苛的性能要求，且成本低、易合成。同時針對現(xiàn)實(shí)需求，團(tuán)隊(duì)研究相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都在真實(shí)電池器件上完成。驗(yàn)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用。 目前，團(tuán)隊(duì)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(lǐng)域的引領(lǐng)性發(fā)展。 復(fù)旦大學(xué)為這一成果的獨(dú)立通訊單位，彭慧勝和高悅為該論文通訊作者，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(xiàng)基金等項(xiàng)目支持。 |
