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　　解決退役動力鋰電池的回收問題，成為各領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。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/高悅研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)這一關(guān)鍵難題，進(jìn)行基礎(chǔ)研究創(chuàng)新，原創(chuàng)性地提出“鋰載體分子”概念和解決方案，只需要給廢舊鋰電池“打一針”就能讓其恢復(fù)原本的充電容量，還能大幅提高其循環(huán)壽命。2月13日，相關(guān)研究成果以“外部供鋰技術(shù)突破電池的缺鋰?yán)Ь澈蛪勖缦?rdquo;為題發(fā)表在《自然》上。

　　打破桎梏　創(chuàng)新設(shè)計(jì)“鋰載體分子”

　　鋰電池已經(jīng)在出行、家居等多個領(lǐng)域改變了人們的生活方式，但仍然存在應(yīng)用瓶頸，難以完全滿足當(dāng)前和未來世界的需求。比如，新能源車動力電池只能保證6至8年、1000至1500次充放電的性能壽命，在低溫條件下使用會加速電池性能衰減，儲能電站和極端環(huán)境儲能場景需要提升電池壽命等。

　　為解決這些問題，鋰電池基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的創(chuàng)新突圍顯得尤為重要。“電池中的活性鋰離子由正極材料提供，鋰離子損失消耗到一定程度后電池報廢，是鋰離子電池自1990年問世以來一直遵循的基本原則。”彭慧勝介紹說，想要破除應(yīng)用瓶頸，唯有打破桎梏。

　　研究團(tuán)隊(duì)深入分析了電池基本原理，并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)電池衰減和人類生病一樣，通常是某個核心組件發(fā)生了異常，其他部分仍舊保持完好，鋰電池性能衰減就是正極材料中鋰離子的含量顯著下降。

　　“那為什么不對癥下藥，通過開發(fā)變革性功能材料，對電池也進(jìn)行精準(zhǔn)、原位無損的鋰離子補(bǔ)充，從而大幅延長其壽命和服役時間，而不是判定‘死亡’、報廢回收?”研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)真思索，在沒有任何研究先例支撐的情況下，通過人工智能(AI)和有機(jī)電化學(xué)的結(jié)合，將電池活性載流子和電極材料解耦，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出“鋰載體分子”這一全新概念。這一概念也徹底打破電池基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論。

　　外部供鋰　創(chuàng)新退役電池處理方式

　　實(shí)現(xiàn)“鋰載體分子”的設(shè)想，需要分子具備嚴(yán)格且復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)，包括分子的電化學(xué)活性、分解電壓的范圍、分解產(chǎn)物的成分、分子可合成性和成本等。這樣的分子機(jī)制是沒有先例的，無法通過傳統(tǒng)研究范式，依靠理論和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　為此，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系成立科學(xué)智能中心，搭建了AI助力研究工作智慧平臺。研究團(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，通過引入有機(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，成功獲得了鋰離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰(CF3SO2Li)。

　　合成這種分子后，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了其具備各種嚴(yán)苛的性能要求，且成本低易合成，和各類電池活性材料、電解液以及其他組分有良好的兼容性，并將其成功應(yīng)用于軟包、圓柱、方殼和纖維狀鋰離子電池器件上。

　　隨后，研究團(tuán)隊(duì)將其應(yīng)用到廢舊電池的“重生”實(shí)驗(yàn)中。高悅介紹說，這種“鋰載體分子”就像藥物一樣，可以通過“打一針”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，實(shí)現(xiàn)電池容量的恢復(fù)，對電池進(jìn)行“精準(zhǔn)治療”，為退役電池處理提供了一種新方式。

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用上述技術(shù)“治療”后的廢舊鋰電池，可在充放電上萬次后仍展現(xiàn)出接近出廠時的健康狀態(tài)，循環(huán)壽命也從目前的500至2000圈提升至12000至60000圈。

　　走向應(yīng)用　創(chuàng)新全鏈條研究范式

　　在“治療”成功廢舊鋰電池后，他們研究的腳步并未停止。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步打破了電池材料必須含鋰的束縛規(guī)則，未來使用綠色、不含重金屬的材料構(gòu)筑電池也會成為可能。

　　探索具有變革性的基礎(chǔ)研究來解決實(shí)際問題，開展“分子—機(jī)制—材料—器件”的全鏈條工作，是研究團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)定的目標(biāo)。下一步，他們將繼續(xù)聚焦該技術(shù)的商業(yè)轉(zhuǎn)化問題，如提升分子反應(yīng)動力學(xué)，以避免影響電池的化成速度;探索化學(xué)制備反應(yīng)路徑，能夠低成本、精準(zhǔn)合成高純度分子。

　　目前，團(tuán)隊(duì)正在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。