“打一针”让锂电池寿命增十倍复旦新成果登上《自然》

　　当锂电池的寿命即将终结时，为它“注射”一针新分子，就能使它恢复原本的充电容量，甚至使得原本只能保证6-8年/1000-1500次充放电的电池，维持1万次充放电，且电池健康水平与出厂时几乎仍然一样。这是复旦大学高分子科学系、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/高悦团队完成的最新成果。

　　相关研究以《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，2月13日发表在《自然》主刊。

　　从1千到1万

　　锂电池在生活中越来越重要，但关于锂电池，却有许多未解的难题。比如，电动车电池的寿命有限、低温使用加速电池损坏、储能电站和极端环境储能场景对电池寿命的需求提升至少一个数量级等，更不用说，随着新能源相关行业发展，我们很快会面临大规模电池退役回收，而这很可能造成环境的污染和资源的浪费。

　　如何延长锂电池的寿命？彭慧胜、高悦团队一直在思考如何通过基础研究创新来提供解决方案。此次团队提出了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，成功设计了新的锂载体分子，将电池活性载流子和电极材料解耦。

　　“这一锂载体分子从未被公开报道过。”高悦告诉记者。但是这种载体分子可以像药物一样，通过“打针”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，恢复容量。使用这一技术，电池在充放电上万次后仍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。

　　更重要的是，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。

　　基础科学与AI研究范式的结合

　　电池中的活性锂离子由正极材料提供，锂离子损耗到一定程度后电池就不得不报废，这是锂离子电池自1990年问世以来一直遵循的基本规律。此次团队通过构建新分子并用于对电池的“康复”，可说是“异想天开”和AI研究范式的结合。

　　高悦告诉记者，他们通过大量验证发现，电池衰减和人生病一样，是某个核心组件发生了异常，而其它部分仍然保持完好。“那为什么不能像治病那样，为电池进行精准的、原位无损的锂离子补充呢？”团队提出了大胆设想——设计锂离载体分子，将其注射进电池。

　　但是，目前人类已知的任何分子都不具备这样的功能，同样也无法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，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离子载体分子——三氟甲基亚磺酸锂（CF3SO2Li）。

　　团队合成新分子后，验证了其具备各种严苛的性能要求，且成本低、易合成。同时针对现实需求，团队研究相关的验证实验都在真实电池器件上完成。验证发现，这一分子和解决方案与各类电池活性材料、电解液以及其他组分都有良好的兼容性，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，团队正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。

　　复旦大学为这一成果的独立通讯单位，彭慧胜和高悦为该论文通讯作者，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。