主筆、視頻制作：于梅君
手機用久了充不進電，電動車續(xù)航越來越短……現(xiàn)代生活中，幾乎每個人都有電量焦慮。為解決鋰電池“短壽”問題，科學家絞盡腦汁：給電池打針防衰老、讓電池穿上防護衣……一項項黑科技不斷問世。
打一針，突破鋰電池的壽命魔咒
現(xiàn)代社會中，鋰離子電池支撐著從智能手機到電動汽車、從智能電網(wǎng)到深空探測的龐大需求。
然而，自1990年鋰離子電池問世以來，人類就陷入一個“甜蜜煩惱”：就像人類會衰老一樣，活性鋰離子也會隨著充放電次數(shù)增加而逐漸流失，最終導(dǎo)致容量衰減、性能報廢。這種先天缺陷，導(dǎo)致電動車電池平均服役年限僅6-8年。
傳統(tǒng)的解決方案簡單粗暴——換電池！但隨之而來的是資源浪費、環(huán)境污染和成本飆升。據(jù)統(tǒng)計，全球每年產(chǎn)生的廢舊鋰電池超過50萬噸，而回收率不足5%。
“為什么電池‘生病’只能報廢，不能像人類治病一樣精準修復(fù)？”復(fù)旦大學科學家決定給電池來一場“中西醫(yī)結(jié)合治療”——用“分子藥物”精準補充流失的鋰離子，讓電池“返老還童”。2月13日，最新成果在《自然》上發(fā)表。
這項技術(shù)的核心，是一種名為“三氟甲基亞磺酸鋰”的神奇分子。它的誕生過程堪稱科學版的《哈利波特》，團隊花了四年時間，結(jié)合人工智能AI、有機化學和材料工程，像調(diào)配魔方一樣反復(fù)試驗，最終從海量候選分子中，鎖定了這位“鋰離子快遞員”。
這種分子有多厲害？打個比方，它能通過注射，直接進入電池內(nèi)部，精準找到鋰離子缺失的部位，快速補充能量。
注射“分子藥物”后，電池即使充放電上萬次，仍表現(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1.2萬—6萬圈。整個過程無需拆解電池，真正實現(xiàn)了“無損修復(fù)”。
“這就像讓AI充當了一回電池醫(yī)生，它不僅會開藥方，還能保證藥到病除?！眻F隊成員表示，這種分子不僅修復(fù)效果超群，成本還是“白菜價”——預(yù)計在電池總成本中占比不到10%。
目前，復(fù)旦大學科研團隊已與多家電池企業(yè)合作，推動這項技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化，從源頭上解決電池大規(guī)模報廢問題。想象一下，未來電動車廠商可能不再需要頻繁更換電池，只需定期“打針保養(yǎng)”；甚至手機廠商也可以驕傲地宣傳：充電一萬次，健康如初戀！
穿上“防護衣”，鋰電池-79℃仍能高效放電
鋰離子電池雖然有諸多優(yōu)點，然而，它在低溫環(huán)境里性能下降的問題一直未能徹底解決，導(dǎo)致冬天手機“凍”關(guān)機、電動車“趴窩”現(xiàn)象時有發(fā)生。如何解決這一難題？
2024年，清華大學科研團隊摒棄傳統(tǒng)電解液設(shè)計方式，研發(fā)出一項新技術(shù)，仿佛給鋰電池穿上一個穿脫自如的智能防護衣，有望解決電動車冬季“趴窩”問題。
清華大學化學工程系博士后章偉立介紹，當電池工作時，“防護衣”會自動套在鋰電池表面，形成一層致密的保護膜，不僅能防止電解液在高電壓下分解，還能加速鋰離子的傳輸，使電池在低溫下也能高效工作。
當電池不工作時，“防護衣”又能自動脫下，讓電池恢復(fù)到常規(guī)狀態(tài)。在“防護衣”作用下，鋰金屬電池在-79℃的低溫條件下仍可高效放電。
該技術(shù)還將大大提升無人機性能。無人機在嚴寒低溫環(huán)境下飛行時，容易出現(xiàn)電壓驟降、飛行動力不足，甚至墜機等情況。造成這些問題的“罪魁禍首”是電解液。
傳統(tǒng)電解液低溫下容易凝固，在電極之間的“穿梭”變得困難，特別是當鋰離子從電解液到電極進行“跳躍”時，遇到的阻力很大。
“電場輔助超分子自組裝層技術(shù)，通過在電極表面上‘穿衣’，可以作為跳板，輔助加速鋰離子從電解液到電極的傳遞，從而提升鋰電池在低溫下的續(xù)航里程。數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)使無人機在-40℃也能高效飛行。”研究人員表示，這一技術(shù)突破，為寒冷地區(qū)的綠色出行和低空經(jīng)濟發(fā)展注入了新動力。
未來，隨著技術(shù)進一步發(fā)展，低溫鋰電池將廣泛應(yīng)用于更多領(lǐng)域，產(chǎn)生更大的社會和經(jīng)濟效益。
針扎不爆水煮無礙，固態(tài)鋰電池呼之欲出
如今，市場上廣泛應(yīng)用的電池主要為液態(tài)鋰電池，其常規(guī)工作溫域為零下20℃—60℃，在高溫或遭受外部劇烈撞擊時易燃易爆，低溫狀態(tài)下性能受限也較大。因此，手機、平板、電動汽車不抗凍、不耐熱問題一直廣受詬病。
全固態(tài)電池則是將液態(tài)電解質(zhì)換成固態(tài)電解質(zhì)的電池。固態(tài)電池的能量密度可以達到液態(tài)電池的10多倍，充電速度也能提高數(shù)十倍。
近年來，作為下一代電池技術(shù)的“明星”，固態(tài)電池賽道吸引了大量資金和技術(shù)投入，商業(yè)化進程不斷提速。
去年7月，武漢經(jīng)開區(qū)未來技術(shù)創(chuàng)新研究院中試產(chǎn)線迎來好消息：固態(tài)鋰/鈉離子電池關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化項目系列產(chǎn)品，獲得國家強制性產(chǎn)品認證（3C認證），為下一步全面量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
由華中科技大學材料科學與工程學院郭新教授領(lǐng)銜研發(fā)的固態(tài)電池，采用固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)有機電解液，進一步提高電池的安全性和性能。
在武漢未來院中試基地里，實驗人員用各種辦法試圖“摧殘”電池，用鋼針刺、用沸水煮、用干冰凍、用剪刀剪……然而，一塊塊固態(tài)電池“飽經(jīng)風霜”后，仍維持著良好性能，從零下40℃到120℃都能正常工作，用鋼針扎透也不會冒煙起火。
而北京大學的龐全全團隊，開發(fā)了一種新型電解質(zhì)材料，造出的新型全固態(tài)鋰硫電池，有望實現(xiàn)分鐘級快充和萬次循環(huán)充電。原型電池在25 °C下，以5C倍率循環(huán)25000次后，仍具有80.2%的初始容量，具有絕佳的循環(huán)壽命。
隨著飛行汽車、電動垂直起降飛行器、城市空中交通的發(fā)展，固態(tài)電池有望成為低空飛行載具的一項主流電池技術(shù)。除了低空經(jīng)濟領(lǐng)域，固態(tài)電池在新能源汽車、3C數(shù)碼、儲能、深海探測等領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出不俗潛力。
截至去年11月，國內(nèi)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)已超過200家。目前國內(nèi)主流電池企業(yè)紛紛公布了固態(tài)電池的量產(chǎn)時間表，大多數(shù)集中在2026年至2030年這一時間段。有機構(gòu)預(yù)測，2025年至2030年，全球固態(tài)電池年復(fù)合增長率將達到65.8%。
鋰電池滅火難？新型滅火劑來了
除了“壽命”問題，鋰電池的安全性，更是關(guān)系到個人的生命財產(chǎn)安全，以及國家能源戰(zhàn)略的順利實施。
鋰電池引發(fā)的火災(zāi)，通常伴隨著高溫、濃煙和易燃易爆氣體的釋放，普通滅火裝置效果不佳。中國科學技術(shù)大學先進技術(shù)研究院研發(fā)的一項新技術(shù)，通過優(yōu)化泡沫生成與噴射系統(tǒng)，可應(yīng)用于各類復(fù)雜火災(zāi)場景中高效滅火，尤其對鋰電池滅火具有顯著效果。
中國科學技術(shù)大學朱霽平教授介紹，這款復(fù)合型高穩(wěn)定微細泡沫鋰電池專用滅火劑，具有環(huán)保無毒、高效降溫、吸煙降塵、吸附高危氣體等特點，可實現(xiàn)滅火效率的大幅提升與資源消耗的顯著降低。
朱霽平表示，這種滅火劑能夠在短時間內(nèi)迅速噴出大量泡沫，覆蓋燃燒的鋰電池，隔絕氧氣，阻止火勢蔓延，實現(xiàn)快速滅火。適用于儲能電站、電動汽車停車場等不同的環(huán)境條件。
此外，這種泡沫具有良好的覆蓋性和密封性，可以有效防止鋰電池火災(zāi)復(fù)燃，降低火災(zāi)二次發(fā)生的風險。相比其他滅火方式，泡沫滅火裝置對鋰電池及周圍設(shè)備的損害較小，而且環(huán)保無毒，安裝和維護也很方便。
據(jù)悉，這一滅火劑在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)，目前，新一代環(huán)保智能滅火技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于鋰電池生產(chǎn)儲存車間、電動自行車車棚、新能源汽車充電站等場所。
知多一點
纖維鋰電池讓衣服變身“充電寶”以后出門不用帶充電器和充電寶，通過身上穿的衣服、手中拎的包，就可以對手機無線充電……這聽起來像不像科幻場景？
這種神奇的“可充電衣服”，由一種特殊的纖維鋰離子電池制成，是中國科學院院士、復(fù)旦大學高分子科學系教授彭慧勝團隊的最新研究成果。
彎折10萬次仍能正常充電
彭慧勝介紹，纖維鋰離子電池是能源領(lǐng)域的一個全新研究方向，
目前他們已建立了全球首條纖維鋰離子電池生產(chǎn)線。
團隊發(fā)展出一套基于高分子凝膠電解質(zhì)纖維電池的連續(xù)化制備方法，實現(xiàn)了數(shù)千米長度纖維鋰離子電池的制備，其能量密度達到128瓦時/公斤，實現(xiàn)5C大電流供電，可有效為無人機等大功率用電器供電。
纖維電池在經(jīng)歷10萬次彎折變形后，容量保持率大于96%，表明其具有優(yōu)異的耐變形能力，應(yīng)用于不同材料體系，制備的纖維電池均表現(xiàn)出穩(wěn)定的充放電性能。
纖維電池織物應(yīng)用范圍廣
纖維電池的直徑可以做到約500微米，與傳統(tǒng)衣服的紗線相當。彭慧勝團隊使用工業(yè)編織方法，制備了大面積纖維電池織物，其外觀同普通的“布”類似。一塊50厘米×30厘米大小的“布”，容量可達2975毫安時，與常用手機電池相當。1米纖維的物料成本為0.5元左右，大規(guī)模生產(chǎn)后將進一步降低成本。
同時，團隊系統(tǒng)研究了電池織物的安全性能。在相關(guān)工業(yè)標準的要求下，電池織物在高低溫、真空環(huán)境及外力破壞下，仍可安全穩(wěn)定地為用電器供電。
“測試結(jié)果表明，電池織物經(jīng)受100次水洗和10000次摩擦后，性能保持穩(wěn)定。”彭慧勝解釋說，這里的100次水洗，相當于家用洗衣機洗滌500次。
在這些特性加持下，電池織物有望應(yīng)用于消防救災(zāi)、極地科考、航空航天等重要領(lǐng)域。目前，團隊已試制了一款多功能消防服，在高溫火場的模擬環(huán)境中，電池織物在磨損、剪斷后，仍未發(fā)生著火、爆炸等安全事故，并可穩(wěn)定地為對講機、傳感器等消防員的隨身設(shè)備供電。
未來，纖維電池的應(yīng)用場景擁有廣闊的想象空間，如仿生手臂、軟體機器人、虛擬現(xiàn)實設(shè)備等。
于梅君
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