退役锂电池打一针就“满血复活”

　　新能源汽车的动力锂电池寿命为6至8年，随着新能源汽车退役高峰期的到来，大量退役锂电池将退出市场舞台。这些废旧锂电池如果得不到妥善处理，不仅会浪费资源，还可能对环境造成严重污染。

　　解决退役动力锂电池的回收问题，成为各领域科学家关注的焦点。复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程全国重点实验室、纤维材料与器件研究院、高分子科学智能中心彭慧胜/高悦研究团队瞄准这一关键难题，进行基础研究创新，原创性地提出“锂载体分子”概念和解决方案，只需要给废旧锂电池“打一针”就能让其恢复原本的充电容量，还能大幅提高其循环寿命。2月13日，相关研究成果以“外部供锂技术突破电池的缺锂困境和寿命界限”为题发表在《自然》上。

　　打破桎梏　创新设计“锂载体分子”

　　锂电池已经在出行、家居等多个领域改变了人们的生活方式，但仍然存在应用瓶颈，难以完全满足当前和未来世界的需求。比如，新能源车动力电池只能保证6至8年、1000至1500次充放电的性能寿命，在低温条件下使用会加速电池性能衰减，储能电站和极端环境储能场景需要提升电池寿命等。

　　为解决这些问题，锂电池基础研究领域的创新突围显得尤为重要。“电池中的活性锂离子由正极材料提供，锂离子损失消耗到一定程度后电池报废，是锂离子电池自1990年问世以来一直遵循的基本原则。”彭慧胜介绍说，想要破除应用瓶颈，唯有打破桎梏。

　　研究团队深入分析了电池基本原理，并进行了大量实验验证，发现电池衰减和人类生病一样，通常是某个核心组件发生了异常，其他部分仍旧保持完好，锂电池性能衰减就是正极材料中锂离子的含量显著下降。

　　“那为什么不对症下药，通过开发变革性功能材料，对电池也进行精准、原位无损的锂离子补充，从而大幅延长其寿命和服役时间，而不是判定‘死亡’、报废回收?”研究团队认真思索，在没有任何研究先例支撑的情况下，通过人工智能(AI)和有机电化学的结合，将电池活性载流子和电极材料解耦，创造性地设计出“锂载体分子”这一全新概念。这一概念也彻底打破电池基础设计原则中锂离子依赖共生于正极材料的理论。

　　外部供锂　创新退役电池处理方式

　　实现“锂载体分子”的设想，需要分子具备严格且复杂的物理化学性质，包括分子的电化学活性、分解电压的范围、分解产物的成分、分子可合成性和成本等。这样的分子机制是没有先例的，无法通过传统研究范式，依靠理论和经验进行设计。

　　为此，复旦大学高分子科学系成立科学智能中心，搭建了AI助力研究工作智慧平台。研究团队利用AI结合化学信息学，将分子结构和性质数字化，通过引入有机化学、电化学、材料工程技术方面的大量关联性质，构建数据库，利用非监督机器学习，进行分子推荐和预测，成功获得了锂离子载体分子——三氟甲基亚磺酸锂(CF3SO2Li)。

　　合成这种分子后，研究团队验证了其具备各种严苛的性能要求，且成本低易合成，和各类电池活性材料、电解液以及其他组分有良好的兼容性，并将其成功应用于软包、圆柱、方壳和纤维状锂离子电池器件上。

　　随后，研究团队将其应用到废旧电池的“重生”实验中。高悦介绍说，这种“锂载体分子”就像药物一样，可以通过“打一针”的方式注入废旧衰减的电池中，精准补充电池中损失的锂离子，实现电池容量的恢复，对电池进行“精准治疗”，为退役电池处理提供了一种新方式。

　　实验数据显示，采用上述技术“治疗”后的废旧锂电池，可在充放电上万次后仍展现出接近出厂时的健康状态，循环寿命也从目前的500至2000圈提升至12000至60000圈。

　　走向应用　创新全链条研究范式

　　在“治疗”成功废旧锂电池后，他们研究的脚步并未停止。研究团队进一步打破了电池材料必须含锂的束缚规则，未来使用绿色、不含重金属的材料构筑电池也会成为可能。

　　探索具有变革性的基础研究来解决实际问题，开展“分子—机制—材料—器件”的全链条工作，是研究团队始终坚定的目标。下一步，他们将继续聚焦该技术的商业转化问题，如提升分子反应动力学，以避免影响电池的化成速度;探索化学制备反应路径，能够低成本、精准合成高纯度分子。

　　目前，团队正在开展锂离子载体分子的宏量制备，并与国际顶尖电池企业合作，力争将技术转化为产品和商品，助力国家在新能源领域的引领性发展。