【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】從手機、電車到儲能電站，鋰電池在人們生活中無處不在,但由于在使用過程中不斷損失鋰離子最長壽命都只有6-8年，復旦大學高分子科學系彭慧勝/高悅團隊打破鋰電池傳統(tǒng)設計原則，通過AI和有機電化學的結(jié)合成功設計了一種鋰載體分子，讓廢舊電池“打一針”就可無損修復，將鋰電池壽命提升1-2個數(shù)量級，為電池產(chǎn)業(yè)變革提供關鍵技術支撐。
成果以《外部供鋰技術突破電池的缺鋰困境和壽命界限》(External Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries)為題，于北京時間2月13日凌晨在《自然》(Nature)上發(fā)表。
“精準治療”：給舊電池打“強心針”，循環(huán)壽命提升1-2個數(shù)量級
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。但在這一原則下，鋰電池已不能滿足人類當前和未來的用電需求。
比如，電動車電池只能保證6-8年/1000-1500次充放電的高性能壽命；低溫使用會加速電池變壞；儲能電站和極端環(huán)境儲能場景需要電池壽命提升一個數(shù)量級；即將到來的大規(guī)模電池退役回收，可能造成環(huán)境的污染和資源的浪費。
面對這些現(xiàn)實且緊迫的問題，彭慧勝/高悅團隊一直思考如何通過基礎研究創(chuàng)新來提供解決方案。通過原理分析和大量實驗驗證，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，開發(fā)變革性分子藥物，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，而不是判定‘死亡’、報廢回收？”在沒有研究先例支撐的情況下，團隊大膽設想——打破電池基礎設計原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，設計一種鋰載體分子，將其注射進電池，對電池中的鋰離子進行單獨管控。
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(xiàn)電池容量的無損修復，為退役電池的處理提供了一種新方式。
使用這一技術，電池在充放電上萬次后仍展現(xiàn)出接近出廠時的健康狀態(tài)(96%容量)，循環(huán)壽命從目前的500-2000圈提升到超過12000-60000圈，在國際上尚屬首例。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。
功能有機分子三氟甲基亞磺酸鋰(CF3SO2Li)為電池補充鋰離子
“無中生有”：創(chuàng)新研究范式，利用AI設計復雜有機分子
為電池“打針”以補充鋰離子的設想很清晰，難題在于如何“對癥下藥”。
實現(xiàn)鋰載體分子的設想，需要分子具備嚴格且復雜的物理化學性質(zhì)，包括分子的電化學活性、分解電壓的范圍、溶解度、空氣穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、酸堿性、分解產(chǎn)物的成分、反應動力學、分子可合成性和成本。這樣的分子機制學界尚無先例，無法通過傳統(tǒng)研究范式，即依靠經(jīng)驗和直覺進行設計。為此，團隊采用了人工智能輔助的全新能源分子設計方法。
歷時四年多的探索，團隊成功結(jié)合AI和有機電化學，將分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)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(lián)性質(zhì)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，利用非監(jiān)督機器學習，進行分子推薦和預測，成功獲得了從未被報道的鋰載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰(CF3SO2Li)，讓AI for Science理念真正落地。
在傳統(tǒng)認知中，通用有機分子庫中的不同分子在生命健康、化學化工等領域“各司其職”。“電池領域的有機分子數(shù)據(jù)庫是不存在的，所以我們利用電化學和化學信息學知識尋找和收集了大量具有潛在功能的分子片段，將其化學信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字符號，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。”高悅介紹。
合成這種分子后，團隊驗證了其符合鋰離子載體所需的各種嚴苛性能要求，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現(xiàn)應用。
走向應用：成本占比不到10%，具備大規(guī)模商用潛力
探索具有變革性的基礎研究來解決實際問題，開展“分子-機制-材料-器件”的全鏈條工作，是團隊始終堅定的目標。
秉持解決實際問題的宗旨，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，以此充分暴露可能的問題并予以解決，從而推動下一步的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，比如提升分子反應動力學以避免影響電池的化成速度；探索化學制備反應路徑，能夠低成本、精準合成高純度分子。
目前，鋰載體分子已通過初期實驗驗證，預計在電池總成本中占比不到10%，具備大規(guī)模商用潛力，可用于補鋰、儲能、光儲一體化。團隊正在開展鋰載體分子的宏量制備，并與國際頂尖電池企業(yè)合作，力爭將技術轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和商品，助力國家在新能源領域的引領性發(fā)展。
“如果未來能夠通過‘打針’修復電池，讓電池實現(xiàn)循環(huán)使用，就可以從源頭解決電池大規(guī)模報廢的問題，使產(chǎn)業(yè)生態(tài)走向智能化、環(huán)保化。”團隊期待該項成果早日走向應用，為推動經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護提供關鍵技術支撐。
復旦大學為獨立通訊單位，高分子科學系、聚合物分子工程全國重點實驗室、纖維材料與器件研究院、高分子科學智能中心彭慧勝教授和高悅青年研究員為該論文通訊作者，高分子科學系博士研究生陳舒為第一作者，合作單位包括南開大學、湖南工程學院和深圳大學。研究得到科技部、國家自然科學基金委、上海市科委、復旦大學科學智能專項基金等項目支持。
所有評論僅代表網(wǎng)友意見，與本站立場無關。