“打一针”让报废锂电池“活过来” 复旦团队最新研究登上《自然》

2025-02-21 09:20:05 来源：中国青年网

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记者从复旦大学获悉，该校高分子科学系、纤维材料与器件研究院彭慧胜、高悦团队的最新研究成果在《自然》（Nature）发表。该项研究打破了传统设计规则，对电池进行“精准治疗”，帮助其突破了现有寿命极限，未来应用前景广泛。

锂电池已经改变了人们的生活方式，但仍不能完全满足当前和未来世界的需求。比如，电动车电池只能保证6～8年/1000～1500次充放电的高性能寿命；低温使用会加速电池变坏；储能电站和极端环境储能场景需要电池寿命提升一个数量级；即将到来的大规模电池退役回收，可能造成环境的污染和资源的浪费。

复旦团队提出了一个打破电池基础设计原则中锂离子依赖共生于正极材料的理论，通过AI和有机电化学的结合，成功设计了从未被报道的锂载体分子，将电池活性载流子和电极材料解耦。

电池中的活性锂离子由正极材料提供，锂离子损失消耗到一定程度后电池报废，是锂离子电池自1990年问世以来一直遵循的基本原则。团队深入分析了电池基本原理，并进行了大量实验验证，发现电池衰减和人生病一样，是某个核心组件发生了异常，其他部分仍旧保持完好。

“那为什么不像治病一样，开发变革性功能材料，对电池也进行精准、原位无损的锂离子补充，从而大幅延长它的寿命和服役时间，而不是判定‘死亡’、报废回收？”在没有任何研究先例支撑的情况下，团队提出了大胆设想——设计锂载体分子，将其注射进电池，对电池中的锂离子进行单独管控。

这种新设计的锂载体分子就像药物一样，可以通过“打一针”的方式注入废旧衰减的电池中，精准补充电池中损失的锂离子，实现容量的恢复，对电池进行“精准治疗”而不是“宣布死亡”，为退役电池的处理提供了一种新方式。

使用这一技术，电池在充放电上万次后仍展现出接近出厂时的健康状态，循环寿命从目前的500-2000圈提升到超过12000-60000圈。此外，电池材料必须含锂的束缚规则也被打破，使用绿色、不含重金属的材料构筑电池成为可能。

然而，实现锂载体分子的设想，需要分子具备严格且复杂的物理化学性质，包括分子的电化学活性、分解电压的范围、溶解度、空气稳定性、化学稳定性、酸碱性、分解产物的成分、反应动力学、分子可合成性和成本。这样的分子机制是没有先例报道的，无法通过传统研究范式，即依靠理论和经验进行设计。

为此，团队利用AI结合化学信息学，将分子结构和性质数字化，通过引入有机化学、电化学、材料工程技术方面的大量关联性质，构建数据库，利用非监督机器学习，进行分子推荐和预测，成功获得了锂离子载体分子——三氟甲基亚磺酸锂（CF3SO2Li）。

团队合成这种分子后，验证了其具备各种严苛的性能要求，且成本低易合成，和各类电池活性材料、电解液以及其他组分有良好的兼容性，成功在软包、圆柱、方壳和纤维状锂离子电池器件上实现应用。

目前，该团队正在开展锂离子载体分子的宏量制备，并与国际顶尖电池企业合作，力争将技术转化为产品和商品，助力国家在新能源领域的引领性发展。