復旦科研團隊發佈重大原創成果 AI“精準治療”讓鋰電池更長壽

　　如今，鋰電池已經成為人們生活中不可或缺的能源産品，尤其在新能源汽車上被廣泛使用，但它的性能還有相當的提升空間。目前，新能源汽車上的電池大多只能保證6—8年或1000—1500次充放電的使用壽命，且在低溫等極端工作條件下會加速電池的老化與損壞。而即將到來的電池大面積退役與回收，也帶來了潛在的環境污染與資源浪費的風險。

　　面對這些實際且緊迫的問題，復旦大學高分子科學系彭慧勝/高悅團隊一直在思考如何通過基礎研究創新來提供解決方案。2月13日，相關研究成果以《外部供鋰技術突破電池的缺鋰困境和壽命界限》為題在《自然》主刊上發表。

　　給電池“打針”

　　電池中的活性鋰離子是由正極材料提供的，鋰離子損失消耗到一定程度後，電池就會失效，這是鋰離子電池自1990年問世以來一直遵循的基本原則。活性鋰離子失效，通常表現為電池容量衰減、內阻增加、充放電效率降低以及循環壽命縮短等，這些失效現象直接影響新能源汽車的續航里程和使用壽命。

　　彭慧勝/高悅團隊深入分析了電池的基本原理，並進行了大量實驗驗證，發現電池衰減和人生病一樣，是某個核心組件發生了異常，而其他部分卻基本保持完好。“那為什麼不像治病一樣，開發變革性功能材料，對電池也進行精準、原位無損的鋰離子補充，從而大幅延長它的壽命和服役時間，而不是簡單地判定‘死亡’、報廢回收呢？”

　　團隊提出了打破電池基礎設計原則中鋰離子依賴共生於正極材料的理論，通過人工智能（AI）和有機電化學的結合，設計出從未被報道的鋰載體分子，將電池活性載流子和電極材料解耦。這種載體分子就像藥物一樣，可以通過“打一針”的方式注入到廢舊衰減的電池中，精準補充電池中損失的鋰離子，實現容量恢復，對電池進行“精準治療”而不是“宣佈死亡”，為退役電池的處理提供了新模式。使用這一技術，電池在充放電上萬次後仍能恢復到接近出廠時的健康狀態，循環壽命從目前的500—2000次提升到12000—60000次，這在國際上尚無先例報道。此外，電池材料必須含鋰的束縛規則也被打破，使用綠色、不含重金屬的材料構築電池成為可能。

　　不走“尋常路”

　　要實現鋰載體分子，就需要分子具備嚴格且複雜的物理化學性質，涉及分子電化學活性、分解電壓的範圍、溶解度、空氣穩定性、化學穩定性、酸鹼性、分解産物的成分、反應動力學、分子可合成性和成本等等。這種分子機制之前沒有報道過，無法通過傳統研究範式即依靠理論和經驗來設計。

　　為此，團隊利用AI結合化學信息學，將分子結構和性質數字化，通過引入有機化學、電化學、材料工程技術方面的大量關聯性質，構建數據庫，利用無監督機器學習，進行分子推薦和預測，成功獲得從未被報道的鋰離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li）。

　　經過艱苦努力，團隊合成出這種分子，並且驗證了其具備各種嚴苛的性能要求，且成本低、易合成，與各類電池活性材料、電解液以及其他組分有良好的相容性，成功在軟包、圓柱、方殼和纖維狀鋰離子電池器件上實現應用。

　　為推動學術科研向工程應用轉化，去解決實際問題，科研團隊始終沿著“分子—機制—材料—器件”的全鏈條工作路徑推進。研究相關的驗證實驗都是在真實電池器件而非模型上完成的，以充分暴露可能的問題並予以解決，從而推動下一步的産業轉化。比如，提升分子反應動力學，以避免影響電池的化成速度；探索化學製備反應路徑，能夠低成本、精準合成高純度分子。目前，團隊正在開展鋰離子載體分子的宏量製備，並與國際頂尖電池企業合作，力爭將技術儘快轉化為産品和商品，助力國家在新能源領域的引領性發展。（新民晚報記者 張炯強）