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打一針,鋰電池“滿血復活”

作者:王春 盧力媛 來源:科技日報 發(fā)布時間:2025-02-18 瀏覽:

中國儲能網(wǎng)訊:手機、電腦、電動車……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,鋰電池也會隨之衰老甚至損壞,給人們帶來電量不足的焦慮。此外,報廢電池還可能造成環(huán)境污染和資源浪費。人類生病需要打針吃藥才能康復,那可否給“衰老生病”的電池也打上一針,讓其“滿血復活”?這個聽起來有點科幻的想法近日被我國科學家成功實現(xiàn)。

復旦大學彭慧勝團隊、高悅團隊,通過將AI與有機電化學結(jié)合,成功設(shè)計了鋰載體分子。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,精準補充電池中損失的鋰離子,恢復電池容量。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極之間的移動工作。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報廢。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,儲能電站和極端環(huán)境等儲能場景也需要將電池壽命提升一個數(shù)量級。延長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,彭慧勝團隊、高悅團隊深入分析了電池基本原理,并進行了大量驗證實驗。他們發(fā)現(xiàn),電池衰減和人生病一樣,是因為某個核心組件發(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,對電池進行精準、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?”做過抗腫瘤疫苗研究的高悅突發(fā)奇想。

作為復旦大學高分子科學系研究員和博士生導師,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景使用的電池設(shè)計和3D打印高分子材料。”廣泛的學科涉獵,對于打破既定思維框架,以及推動研究工作產(chǎn)生了巨大的助力。

此前,高悅團隊就突破固定思維,成功把傳統(tǒng)電池4至12個小時的充電時間壓縮至1分鐘,解決了機器人充電時間長的問題。面對鋰電池“延壽”的問題,在沒有任何研究先例支撐的情況下,團隊又一次大膽設(shè)想——設(shè)計鋰載體分子并將其注射進電池,對電池中的鋰離子進行單獨管控,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”的方法看似簡單,但要依此制備鋰載體分子,并非易事。“這個運送鋰離子的載體需要具備嚴苛的物理化學性質(zhì)。團隊設(shè)計時需要考慮分子的電化學活性、分解電壓的范圍、溶解度、空氣穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性等多個方面?!备邜偨榻B。但用傳統(tǒng)研究范式設(shè)計要滿足這么多嚴苛要求的分子,無異于大海撈針。

傳統(tǒng)方法走不通,團隊選擇獨辟蹊徑。團隊成員擁有有機化學、電化學、材料、人工智能等學科背景,多元化“跨界”讓這支團隊在研究過程中不斷迸發(fā)火花。

團隊利用AI結(jié)合化學信息學,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(shù)方面的大量關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù),構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。隨后,他們利用非監(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離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰。

經(jīng)驗證,三氟甲基亞磺酸鋰符合各種嚴苛的性能要求,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現(xiàn)應用。

“三氟甲基亞磺酸鋰不僅能給電池‘補鋰’,補完后還會變成氣體排出來,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格?!备邜偨榻B,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。

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