記者從復(fù)旦大學(xué)獲悉，該校高分子科學(xué)系、纖維材料與器件研究院彭慧勝、高悅團隊的最新研究成果在《自然》（Nature）發(fā)表。該項研究打破了傳統(tǒng)設(shè)計規(guī)則，對電池進行“精準(zhǔn)治療”，幫助其突破了現(xiàn)有壽命極限，未來應(yīng)用前景廣泛。
鋰電池已經(jīng)改變了人們的生活方式，但仍不能完全滿足當(dāng)前和未來世界的需求。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。
復(fù)旦團隊提出了一個打破電池基礎(chǔ)設(shè)計原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，通過AI和有機電化學(xué)的結(jié)合，成功設(shè)計了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。
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。團隊深入分析了電池基本原理，并進行了大量實驗驗證，發(fā)現(xiàn)電池衰減和人生病一樣，是某個核心組件發(fā)生了異常，其他部分仍舊保持完好。
“那為什么不像治病一樣，開發(fā)變革性功能材料，對電池也進行精準(zhǔn)、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？”在沒有任何研究先例支撐的情況下，團隊提出了大膽設(shè)想——設(shè)計鋰載體分子，將其注射進電池，對電池中的鋰離子進行單獨管控。
這種新設(shè)計的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)補充電池中損失的鋰離子，實現(xiàn)容量的恢復(fù)，對電池進行“精準(zhǔn)治療”而不是“宣布死亡”，為退役電池的處理提供了一種新方式。
使用這一技術(shù)，電池在充放電上萬次后仍展現(xiàn)出接近出廠時的健康狀態(tài)，循環(huán)壽命從目前的500-2000圈提升到超過12000-60000圈。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。
然而，實現(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)動力學(xué)、分子可合成性和成本。這樣的分子機制是沒有先例報道的，無法通過傳統(tǒng)研究范式，即依靠理論和經(jīng)驗進行設(shè)計。
為此，團隊利用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)督機器學(xué)習(xí)，進行分子推薦和預(yù)測，成功獲得了鋰離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li）。
團隊合成這種分子后，驗證了其具備各種嚴(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，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(yīng)用。
目前，該團隊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。
記者從復(fù)旦大學(xué)獲悉，該校高分子科學(xué)系、纖維材料與器件研究院彭慧勝、高悅團隊的最新研究成果在《自然》（Nature）發(fā)表。該項研究打破了傳統(tǒng)設(shè)計規(guī)則，對電池進行“精準(zhǔn)治療”，幫助其突破了現(xiàn)有壽命極限，未來應(yīng)用前景廣泛。
鋰電池已經(jīng)改變了人們的生活方式，但仍不能完全滿足當(dāng)前和未來世界的需求。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。
復(fù)旦團隊提出了一個打破電池基礎(chǔ)設(shè)計原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，通過AI和有機電化學(xué)的結(jié)合，成功設(shè)計了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。
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。團隊深入分析了電池基本原理，并進行了大量實驗驗證，發(fā)現(xiàn)電池衰減和人生病一樣，是某個核心組件發(fā)生了異常，其他部分仍舊保持完好。
“那為什么不像治病一樣，開發(fā)變革性功能材料，對電池也進行精準(zhǔn)、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？”在沒有任何研究先例支撐的情況下，團隊提出了大膽設(shè)想——設(shè)計鋰載體分子，將其注射進電池，對電池中的鋰離子進行單獨管控。
這種新設(shè)計的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)補充電池中損失的鋰離子，實現(xiàn)容量的恢復(fù)，對電池進行“精準(zhǔn)治療”而不是“宣布死亡”，為退役電池的處理提供了一種新方式。
使用這一技術(shù)，電池在充放電上萬次后仍展現(xiàn)出接近出廠時的健康狀態(tài)，循環(huán)壽命從目前的500-2000圈提升到超過12000-60000圈。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。
然而，實現(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)動力學(xué)、分子可合成性和成本。這樣的分子機制是沒有先例報道的，無法通過傳統(tǒng)研究范式，即依靠理論和經(jīng)驗進行設(shè)計。
為此，團隊利用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)督機器學(xué)習(xí)，進行分子推薦和預(yù)測，成功獲得了鋰離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li）。
團隊合成這種分子后，驗證了其具備各種嚴(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，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(yīng)用。
目前，該團隊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。
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