復(fù)旦大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn)：鋰電池“打一針”就能“重生”！鋰電池概念股表現(xiàn)活躍，這2只個(gè)股20%漲停

每經(jīng)編輯 杜宇

據(jù)復(fù)旦大學(xué)官方微信號(hào)2月13日消息，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝/高悅團(tuán)隊(duì)打破鋰電池傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，通過(guò)AI和有機(jī)電化學(xué)的結(jié)合，成功設(shè)計(jì)了一種鋰載體分子，讓廢舊電池“打一針”就可無(wú)損修復(fù)將鋰電池壽命提升1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，為電池產(chǎn)業(yè)變革提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖片來(lái)源：復(fù)旦大學(xué)官方微信號(hào)

成果以《外部供鋰技術(shù)突破電池的缺鋰?yán)Ь澈蛪勖缦蕖罚‥xternal Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries）為題，于北京時(shí)間2月13日凌晨在《自然》（Nature）上發(fā)表。

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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(bào)廢，是鋰離子電池自1990年問(wèn)世以來(lái)一直遵循的基本原則。但在這一原則下，鋰電池已不能滿足人類當(dāng)前和未來(lái)的用電需求。

比如，電動(dòng)車電池只能保證6-8年/1000-1500次充放電的高性能壽命；低溫使用會(huì)加速電池變壞；儲(chǔ)能電站和極端環(huán)境儲(chǔ)能場(chǎng)景需要電池壽命提升一個(gè)數(shù)量級(jí)；即將到來(lái)的大規(guī)模電池退役回收，可能造成環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。

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面對(duì)這些現(xiàn)實(shí)且緊迫的問(wèn)題，彭慧勝/高悅團(tuán)隊(duì)一直思考如何通過(guò)基礎(chǔ)研究創(chuàng)新來(lái)提供解決方案。通過(guò)原理分析和大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，他們發(fā)現(xiàn)電池衰減的核心原因是活性鋰離子減少，而其他組分依舊完好。

“那為什么不像治病一樣，開(kāi)發(fā)變革性分子藥物，對(duì)電池也進(jìn)行精準(zhǔn)、原位無(wú)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，而不是判定‘死亡’、報(bào)廢回收？”在沒(méi)有研究先例支撐的情況下，團(tuán)隊(duì)大膽設(shè)想——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，設(shè)計(jì)一種鋰載體分子，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。

這種載體分子就像藥物一樣，可以通過(guò)“打一針”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，實(shí)現(xiàn)電池容量的無(wú)損修復(fù)，為退役電池的處理提供了一種新方式。

使用這一技術(shù)，電池在充放電上萬(wàn)次后仍展現(xiàn)出接近出廠時(shí)的健康狀態(tài)（96%容量），循環(huán)壽命從目前的500-2000圈提升到超過(guò)12000-60000圈，在國(guó)際上尚屬首例。此外，電池材料必須含鋰的束縛規(guī)則也被打破，使用綠色、不含重金屬的材料構(gòu)筑電池成為可能。

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為電池“打針”以補(bǔ)充鋰離子的設(shè)想很清晰，難題在于如何“對(duì)癥下藥”。

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、溶解度、空氣穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、酸堿性、分解產(chǎn)物的成分、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、分子可合成性和成本。這樣的分子機(jī)制學(xué)界尚無(wú)先例，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)研究范式，即依靠經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為此，團(tuán)隊(duì)采用了人工智能輔助的全新能源分子設(shè)計(jì)方法。

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歷時(shí)四年多的探索，團(tuán)隊(duì)成功結(jié)合AI和有機(jī)電化學(xué)，將分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)字化，通過(guò)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(kù)，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)道的鋰載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li），讓AI for Science理念真正落地。

在傳統(tǒng)認(rèn)知中，通用有機(jī)分子庫(kù)中的不同分子在生命健康、化學(xué)化工等領(lǐng)域“各司其職”。“電池領(lǐng)域的有機(jī)分子數(shù)據(jù)庫(kù)是不存在的，所以我們利用電化學(xué)和化學(xué)信息學(xué)知識(shí)尋找和收集了大量具有潛在功能的分子片段，將其化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字符號(hào)，并將它們重新組合、生成新的分子，形成具備特定性質(zhì)的能源分子庫(kù)。”高悅介紹。

合成這種分子后，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了其符合鋰離子載體所需的各種嚴(yán)苛性能要求，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，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。

目前，鋰載體分子已通過(guò)初期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)計(jì)在電池總成本中占比不到10%，具備大規(guī)模商用潛力，可用于補(bǔ)鋰、儲(chǔ)能、光儲(chǔ)一體化。團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展鋰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，助力國(guó)家在新能源領(lǐng)域的引領(lǐng)性發(fā)展。

“如果未來(lái)能夠通過(guò)‘打針’修復(fù)電池，讓電池實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，就可以從源頭解決電池大規(guī)模報(bào)廢的問(wèn)題，使產(chǎn)業(yè)生態(tài)走向智能化、環(huán)?；?rdquo;團(tuán)隊(duì)期待該項(xiàng)成果早日走向應(yīng)用，為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

據(jù)央視新聞，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系研究團(tuán)隊(duì)成員 高悅：我們的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療，使它能在使用之后，還能夠恢復(fù)到初始的狀態(tài)。一個(gè)商用的磷酸鐵鋰電池，按照以往來(lái)說(shuō)，在使用2000次之后，就會(huì)容量衰減、報(bào)廢。有了這項(xiàng)技術(shù)，可以使它在使用12000次之后，還能夠保持一個(gè)接近于初始電池的“健康”狀態(tài)。

這個(gè)像“藥物”一樣的鋰載體分子是怎么找出來(lái)的呢？科研團(tuán)隊(duì)利用人工智能技術(shù)結(jié)合化學(xué)知識(shí)，將分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)字化，通過(guò)引入有機(jī)化學(xué)、材料工程技術(shù)等方面大量的關(guān)聯(lián)知識(shí)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，在多次實(shí)驗(yàn)后獲得了這種新的鋰離子載體分子。

復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系研究團(tuán)隊(duì)成員 高悅：這種分子不僅修復(fù)商用電池的效果非常好，成本也非常低，它還可以幫助開(kāi)發(fā)新的綠色電池。

目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)通過(guò)多種電池的測(cè)試，并與國(guó)際頂尖電池公司展開(kāi)合作，希望能盡快應(yīng)用到實(shí)際生活中。

另?yè)?jù)央視新聞此前消息，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所科研團(tuán)隊(duì)在全固態(tài)鋰電池領(lǐng)域取得突破，有望讓電子設(shè)備小型化、長(zhǎng)續(xù)航的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。這一成果2024年7月31日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-能源》發(fā)表。

這種電池使用固態(tài)電解質(zhì)，而不是液體，這使得它們更安全。

這種新材料兼具高離子電導(dǎo)率、高電子電導(dǎo)率，比傳統(tǒng)的電池材料（層狀氧化物正極材料）高出1000倍以上。這意味著，即便不依賴導(dǎo)電助劑，正極也能順暢地完成充放電過(guò)程，顯著提升了電池的整體性能。

全固態(tài)鋰電池聽(tīng)起來(lái)很理想，實(shí)則研發(fā)中也面臨一些問(wèn)題，主要是電池正極內(nèi)部的不同材料在化學(xué)和物理性質(zhì)上很難完美匹配，產(chǎn)生多種界面問(wèn)題，進(jìn)而影響電池的能量密度和使用壽命。為了解決這個(gè)問(wèn)題，科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的材料——均質(zhì)化正極材料（鋰鈦鍺磷硫硒）。

這項(xiàng)研究對(duì)開(kāi)發(fā)高能量密度、長(zhǎng)使用壽命的儲(chǔ)能設(shè)備，為新能源汽車、儲(chǔ)能電網(wǎng)、深海深空裝備等提供安全、耐久的動(dòng)力源提供了技術(shù)支撐，對(duì)開(kāi)發(fā)新型儲(chǔ)能體系等具有重要意義。

二級(jí)市場(chǎng)上，2月13日，鋰電池概念股表現(xiàn)活躍，截至2月13日午盤，瑞泰新材、領(lǐng)湃科技，20%漲停。力王股份漲超18%，貝瑞特、靈鴿科技等漲超10%。

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