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打一針,,鋰電池“滿血復(fù)活” ——鋰載體分子助力電池突破目前壽命極限

2025-02-18 科技日?qǐng)?bào)

▲在復(fù)旦大學(xué)實(shí)驗(yàn)室,,一塊鋰電池正在通過打針方式補(bǔ)鋰,。?鋰載體新分子制備試驗(yàn),。盧力媛攝

  手機(jī),、電腦,、電動(dòng)車……如今,,眾多“以電為生”的設(shè)備成為人們生活,、辦公、出行的必需品,。鋰電池則是這些設(shè)備的主要供能方式之一,。然而,隨著充放電次數(shù)的增加,,鋰電池也會(huì)隨之衰老甚至損壞,,給人們帶來電量不足的焦慮。此外,,報(bào)廢電池還可能造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi),。人類生病需要打針吃藥才能康復(fù),那可否給“衰老生病”的電池也打上一針,,讓其“滿血復(fù)活”?這個(gè)聽起來有點(diǎn)科幻的想法近日被我國(guó)科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn),。

  復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團(tuán)隊(duì)、高悅團(tuán)隊(duì),,通過將AI與有機(jī)電化學(xué)結(jié)合,,成功設(shè)計(jì)了鋰載體分子。該載體分子就像藥物一樣,,可以通過“打針”的方式注入到廢舊衰減的電池中,,精準(zhǔn)補(bǔ)充電池中損失的鋰離子,恢復(fù)電池容量,。利用該技術(shù),,電池在充放電上萬次后仍展現(xiàn)出接近出廠時(shí)的健康狀態(tài),循環(huán)壽命從目前的500—2000圈提升到超過12000—60000圈,。2月13日,,相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》雜志。

  像治病一樣診治退役電池

  鋰電池依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間的移動(dòng)工作,。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會(huì)報(bào)廢,。這是鋰電池自1990年問世以來一直遵循的基本原則。

  隨著鋰電池應(yīng)用越來越多,,大規(guī)模電池退役回收成為迫在眉睫的問題,。此外,儲(chǔ)能電站和極端環(huán)境等儲(chǔ)能場(chǎng)景也需要將電池壽命提升一個(gè)數(shù)量級(jí),。延長(zhǎng)鋰電池壽命成為亟待解決的關(guān)鍵難題,。

  為了找到給鋰電池“延年益壽”的方法,彭慧勝團(tuán)隊(duì),、高悅團(tuán)隊(duì)深入分析了電池基本原理,,并進(jìn)行了大量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),。他們發(fā)現(xiàn),,電池衰減和人生病一樣,是因?yàn)槟硞€(gè)核心組件發(fā)生了異常,,但其他部分仍舊保持完好,。

  “那為什么不能像治病一樣,開發(fā)變革性功能材料,,對(duì)電池進(jìn)行精準(zhǔn),、原位無損的鋰離子補(bǔ)充,從而大幅延長(zhǎng)它的壽命和服役時(shí)間?”做過抗腫瘤疫苗研究的高悅突發(fā)奇想,。

  作為復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系研究員和博士生導(dǎo)師,,高悅有著豐富的“跨界”研究經(jīng)歷:“我本科研究天然產(chǎn)物全合成,博士期間研究新能源電池,,博士后又研究過一些供極端場(chǎng)景使用的電池設(shè)計(jì)和3D打印高分子材料,。”廣泛的學(xué)科涉獵,,對(duì)于打破既定思維框架,,以及推動(dòng)研究工作產(chǎn)生了巨大的助力。

  此前,,高悅團(tuán)隊(duì)就突破固定思維,,成功把傳統(tǒng)電池4至12個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至1分鐘,解決了機(jī)器人充電時(shí)間長(zhǎng)的問題,。面對(duì)鋰電池“延壽”的問題,,在沒有任何研究先例支撐的情況下,團(tuán)隊(duì)又一次大膽設(shè)想——設(shè)計(jì)鋰載體分子并將其注射進(jìn)電池,,對(duì)電池中的鋰離子進(jìn)行單獨(dú)管控,,創(chuàng)新性地為退役電池的處理提供了一種新方式。

  AI賦能鋰載體分子制備

  “打針”的方法看似簡(jiǎn)單,,但要依此制備鋰載體分子,,并非易事,。“這個(gè)運(yùn)送鋰離子的載體需要具備嚴(yán)苛的物理化學(xué)性質(zhì),。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮分子的電化學(xué)活性,、分解電壓的范圍、溶解度,、空氣穩(wěn)定性,、化學(xué)穩(wěn)定性等多個(gè)方面?!备邜偨榻B,。但用傳統(tǒng)研究范式設(shè)計(jì)要滿足這么多嚴(yán)苛要求的分子,無異于大海撈針,。

  傳統(tǒng)方法走不通,,團(tuán)隊(duì)選擇獨(dú)辟蹊徑。團(tuán)隊(duì)成員擁有有機(jī)化學(xué),、電化學(xué),、材料、人工智能等學(xué)科背景,,多元化“跨界”讓這支團(tuán)隊(duì)在研究過程中不斷迸發(fā)火花,。

  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)性數(shù)據(jù),,構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù),。隨后,他們利用非監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí),,進(jìn)行分子推薦和預(yù)測(cè),,成功獲得了從未被報(bào)道的鋰離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰。

  經(jīng)驗(yàn)證,,三氟甲基亞磺酸鋰符合各種嚴(yán)苛的性能要求,,且成本低、易合成,。其與各類電池活性材料,、電解液以及其他組分有良好的兼容性,可成功在軟包,、圓柱,、方殼和纖維狀鋰離子電池器件上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

  “三氟甲基亞磺酸鋰不僅能給電池‘補(bǔ)鋰’,,補(bǔ)完后還會(huì)變成氣體排出來,,可以繼續(xù)回收用來制備三氟甲基亞磺酸鋰,,形成能量閉環(huán)。這不僅環(huán)保還可以大大降低電池的價(jià)格,?!备邜偨榻B,團(tuán)隊(duì)正在開展鋰離子載體分子的宏量制備,,并與國(guó)際頂尖電池企業(yè)合作,,力爭(zhēng)將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和商品。(記者 王 春

編輯:周大為

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