1月17日，公安部公布，截至2024年底，全國新能源汽車保有量達3140萬輛，占汽車總量的8.90%。
這個數字背后，有一個繞不開的關鍵詞——鋰離子電池。憑借高能量密度、輕便性以及快速充電等優勢，鋰離子電池自1990年誕生起，便迅速成為能源領域的“寵兒”，深刻改變了人們的生活方式。
與此同時，電動車使用一段時間后需要頻繁充電以及低溫下突然消極怠工等現實，說明目前的鋰離子電池仍有極大的提升空間。
此外，廢舊電池處理問題尤為緊迫，隨著大規模電池退役回收潮的到來，環境污染和資源浪費的風險也日益凸顯。中國科學院院士、復旦大學教授彭慧勝和該校青年研究員高悅團隊的最新進展，為退役電池的處理提供了一種新的解決途徑。2月13日，該研究發表于《自然》。
給電池“送鋰”
鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解質這4個部分組成，其中鋰離子來源于正極的鋰金屬氧化物。
鋰離子是電池的能量“搬運工”：充電時，鋰離子從正極脫嵌，通過電解質遷移到負極，并嵌入負極材料中，將能量以化學能的形式存儲起來；放電時，鋰離子又經由電解質回到正極，將化學能轉換為電能，供不同的電子設備使用。
但在正負極之間往返的旅途中，鋰離子難免會遇上些意外情況，也就是不同原因造成的副反應。隨著使用次數的不斷增加，一些自由的鋰離子逐漸被束縛住，無法再參與電化學反應，最終造成電池容量不斷減少。也因此，電動車的電池容量衰減到70-80%時，就需要及時進行更換。
針對這類電池，目前常見的處理方式是回收再利用，經過拆解、破碎、分選、冶煉等步驟后，從中提取有用材料，以供電池的再生產使用。
“人生病了就會去醫院看病，電池出了問題為什么就直接宣告死亡了呢？很自然地，我們就想看看電池‘病癥’在哪里，再對癥治療。”高悅告訴《中國科學報》。
2020年12月加入復旦大學時，高悅就開始試圖回答這個問題。他和團隊經過研究發現，有一部分廢舊鋰離子電池的確“病不致死”，其正負極、隔膜都完好，僅僅是鋰離子含量“告急”。
失血嚴重的病人，給他們及時輸血就能夠挽救生命。對鋰離子電池而言，把缺失的“能量之源”鋰離子送回去，電池是否就能恢復活力了呢？
順著這個思路，他們嘗試了多種不同方法，最終想出了一個絕佳方案。
鋰離子電池生產過程中，有一個關鍵步驟——利用注液針，將電解液注入包含有正負極以及隔膜的電池雛形。為了提高充放電效率，電解液中會添加少量鋰離子。
彭慧勝/高悅團隊則決定給出廠后的電池電解液補一些鋰離子，高悅將這個過程形容為“打一針”。他拿著一個圓柱鋰離子電池向記者演示操作過程，電池的正負極兩端分別連著一根細細的白色導管，把鋰載體分子從一側的導管注射進去后，再充一次電，使得分子在電池內發生反應而分解，最終鋰離子留在電池中，其他元素則以氣體的形式順著另一端的導管離開。
“這和電池的生產過程是完全一致的，并沒有改變現有的成熟工藝。”高悅介紹，“平常使用的時候，把口子封上就可以了。”
經過兩年多時間的驗證，實驗室中的電池在充放電上萬次后，仍展現出接近出廠時的健康狀態。據估計，電池循環壽命將從目前的500-2000圈提升到超過12000-60000圈。值得一提的是，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的，因此可以及時發現實際應用中潛在的問題并予以解決。
頭腦風暴尋找“理想分子”
這項工作中的一大難點是要找到合適的鋰載體分子。
正如人服用的藥物中，最終起作用的只是某一兩個化合物，但只有在制劑的幫助下，才能順利地到達作用組織或器官，發揮更好的療效，并減少副作用。鋰離子也只能以化合物或溶液中離子的形式被運送到電池內，考慮到不能給電池添加額外的成分，后者首先被排除。
“這個化合物分子必須同時具備3個特點，能夠把鋰離子留下、完全兼容電池的生產和使用過程、加進電池后不會帶來任何額外的變化。”高悅解釋，“這就要求分子以化合物的形式加進去，在電池內完全分解，同時反應過程必須是溫和的。”
記者在實驗室中見到了這一由團隊設計并合成的特殊分子——三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li）。它長得和絕大多數化合物都差不多，呈白色粉末狀，被裝在化學實驗室中常見的玻璃容器中，但找到這個“天選”分子，屬實是犧牲了團隊師生的不少腦細胞。
這是一項沒有先例可以參考的工作，團隊雖然清楚分子應該具備的特性，卻無法鎖定具體的分子。大膽假設、小心求證、不符合要求、重新假設……這樣的循環反復發生。
“我們經常坐在一起頭腦風暴，盡可能地發散思維，討論各種聽起來非常天馬行空的想法，諸如給電池‘打針’就是在這個過程中產生的。”高悅笑道，“我們的一大特點是非常交叉，大家有著不同的學科背景和語言，能夠在思維碰撞中迸發出新的靈感。”
最初，他們用化學家的思維，結合已有的知識儲備和經驗，尋找可能的分子，再實驗驗證。然而，這種近乎“碰運氣”的搜索方式，在面對海量的化合物分子時，顯得力不從心。
依托復旦大學在人工智能（AI）方面的布局，他們開始嘗試將AI的方法引入研究中。團隊結合AI多方向性的分子設計和搜尋以及后續實驗驗證，最終找到了三氟甲基亞磺酸鋰，各項化學和物理性質都符合預期，同時易合成且成本低。
“很多的經典問題如果在較長時間內都沒有得到解決，那大概率是方法受限了，需要引入不同的視角和工具。”高悅說道，“至于新方法和新領域，學習就是了。”
本著“唯有高度的交叉才能帶來新的突破和迸發點”，團隊從不懼于踏足新領域、學習新方法。
高悅自身的科研興趣也發生了多次轉變：從天然產物全合成、糖肽大分子抗腫瘤疫苗，到電池界面高分子保護膜、寬溫電池，到3D打印功能高分子，再到現在的AI輔助能源有機和高分子材料設計。盡管每一次“跨界”都要經歷一次轉型和新知識的快速吸納，但也正是不同學科融合的視角，使他得以跳出思維慣性，用更多元的維度尋求解題思路。
現如今，彭慧勝/高悅的團隊，也聚集了一批認同這一理念的學生。他們的學科背景不盡相同，包括有機化學、電化學、材料、生物、機械工程等不同領域，但有著同樣活躍的思維，和敢于打破既定思維框架的勇氣。
有趣且有用的研究
給電池“打一針”，一方面是基礎研究的突破，團隊打破了電池基礎設計原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，將電池活性載流子和電極材料解耦，另一方面也極具應用潛力。
“我們正在開展鋰離子載體分子的大規模制備，并與國際頂尖電池企業合作，力爭將技術轉化為產品和商品。”高悅介紹。
主要包括3個應用場景，首先是作為現有生產工藝的輔助，增加電池出廠時的容量；其次是延長電池的使用壽命，使得電池在相當長的時間里都保持接近出廠時的“機能”；最重要的則是電池修復，改變現在“一刀切”回收再利用的方式，解決廢舊電池的回收難題。
而在大力發展清潔能源的今天，解決電池修復問題有著更多的戰略意義。如太陽能、風能等清潔能源依賴于自然條件，波動性較大，無法與用電負荷完全匹配，需要儲能系統發揮好“電網充電寶”的作用——在電網電力供應充足時，將不穩定的電力儲存起來，電力不足時再向電網輸送電能。
目前建設的新型儲能項目中，80%以上都是鋰離子電池，但由于循環壽命短、性能衰減、安全性等問題，距離實際應用仍有一段距離。此外，大型儲能電站的容量往往高達兆瓦時級別甚至更大，所使用的電池體積動輒幾十立方米，更換成本之高不言而喻。
“據估計，要建大型的儲能電站，電池的深度充放電循環次數超過15000才能回本。我們的電池目前已經‘打了’6針，循環次數達12000，仍表現出96%的健康狀態。”高悅期待這項研究的突破，能夠幫助解決儲能問題，推動我國的清潔能源轉型。
但對于他和團隊來說，這項研究不過是實驗室系列布局的起點。細數以往的研究內容，設計“保鮮膜”穩定電池界面、利用3D打印技術讓電池謙虛不膨脹、為機器狗調配“能量奶茶”……看來都頗為有趣，而它們無一不是立足于實際問題。他們正在開展“分子-機制-材料-器件”的全鏈條研究工作，以期通過基礎研究的突破，解決更多能源領域的痛點和難點。
“這項工作只是針對的正負極完好的電池，我們也在開展系列電池修復相關的研究，比如針對電動車起火問題，未來是否可以對電池做定期‘體檢’和‘保養’，預防電池性能衰退和出現異常。”高悅說道，“我們也在探索更綠色的電池材料，希望開發一款純有機的、以生物質為原料的電池。”
“當然，我們團隊的力量非常有限，非常歡迎更多學術界和產業界的同仁加入進來，一起推動產業化落地，服務于國家的能源戰略。”高悅強調。
相關論文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-024-08465-y
本文鏈接：AI助力，復旦團隊為電池“續命”http://www.lensthegame.com/show-11-17341-0.html
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