从手机、电车到储能电站，锂电池在人们生活中无处不在,但由于在使用过程中不断损失锂离子最长寿命都只有6-8年，复旦大学高分子科学系彭慧胜/高悦团队打破锂电池传统设计原则，通过AI和有机电化学的结合成功设计了一种锂载体分子，让废旧电池“打一针”就可无损修复，将锂电池寿命提升1-2个数量级，为电池产业变革提供关键技术支撑。
成果以《外部供锂技术突破电池的缺锂困境和寿命界限》（External Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries）为题，于北京时间2月13日凌晨在《自然》（Nature）上发表。
“精准治疗”：给旧电池打“强心针”，循环寿命提升1-2个数量级
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。但在这一原则下，锂电池已不能满足人类当前和未来的用电需求。
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。
面对这些现实且紧迫的问题，彭慧胜/高悦团队一直思考如何通过基础研究创新来提供解决方案。通过原理分析和大量实验验证，他们发现电池衰减的核心原因是活性锂离子减少，而其他组分依旧完好。
“那为什么不像治病一样，开发变革性分子药物，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？”在没有研究先例支撑的情况下，团队大胆设想——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，设计一种锂载体分子，将其注射进电池，对电池中的锂离子进行单独管控。
这种载体分子就像药物一样，可以通过“打一针”的方式注入到废旧衰减的电池中，精准补充电池中损失的锂离子，实现电池容量的无损修复，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（96%容量），循环寿命从目前的500-2000圈提升到超过12000-60000圈，在国际上尚属首例。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。
功能有机分子三氟甲基亚磺酸锂（CF3SO2Li）为电池补充锂离子
“无中生有”：创新研究范式，利用AI设计复杂有机分子
为电池“打针”以补充锂离子的设想很清晰，难题在于如何“对症下药”。
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。这样的分子机制学界尚无先例，无法通过传统研究范式，即依靠经验和直觉进行设计。为此，团队采用了人工智能辅助的全新能源分子设计方法。
历时四年多的探索，团队成功结合AI和有机电化学，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，成功获得了从未被报道的锂载体分子——三氟甲基亚磺酸锂（CF3SO2Li），让AI for Science理念真正落地。
在传统认知中，通用有机分子库中的不同分子在生命健康、化学化工等领域“各司其职”。“电池领域的有机分子数据库是不存在的，所以我们利用电化学和化学信息学知识寻找和收集了大量具有潜在功能的分子片段，将其化学信息转化为数字符号，并将它们重新组合、生成新的分子，形成具备特定性质的能源分子库。”高悦介绍。
合成这种分子后，团队验证了其符合锂离子载体所需的各种严苛性能要求，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。
走向应用：成本占比不到10%，具备大规模商用潜力
探索具有变革性的基础研究来解决实际问题，开展“分子-机制-材料-器件”的全链条工作，是团队始终坚定的目标。
秉持解决实际问题的宗旨，研究相关的验证实验都是在真实电池器件而非模型上完成，以此充分暴露可能的问题并予以解决，从而推动下一步的产业转化，比如提升分子反应动力学以避免影响电池的化成速度；探索化学制备反应路径，能够低成本、精准合成高纯度分子。
目前，锂载体分子已通过初期实验验证，预计在电池总成本中占比不到10%，具备大规模商用潜力，可用于补锂、储能、光储一体化。团队正在开展锂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。
“如果未来能够通过‘打针’修复电池，让电池实现循环使用，就可以从源头解决电池大规模报废的问题，使产业生态走向智能化、环保化。”团队期待该项成果早日走向应用，为推动经济可持续发展和环境保护提供关键技术支撑。
复旦大学高分子科学系彭慧胜/高悦团队
复旦大学为独立通讯单位，高分子科学系、聚合物分子工程全国重点实验室、纤维材料与器件研究院、高分子科学智能中心彭慧胜教授和高悦青年研究员为该论文通讯作者，高分子科学系博士研究生陈舒为第一作者，合作单位包括南开大学、湖南工程学院和深圳大学。研究得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委、复旦大学科学智能专项基金等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08465-y
