記者從復旦大學獲悉，該校高分子科學系、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)設計規(guī)則，對電池進行“精準治療”，幫助其突破了現(xiàn)有壽命極限，未來應用前景廣泛。
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。
復旦團隊提出了一個打破電池基礎設計原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，通過AI和有機電化學的結合，成功設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、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，團隊提出了大膽設想——設計鋰載體分子，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，精準補充電池中損失的鋰離子，實現(xiàn)容量的恢復，對電池進行“精準治療”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，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筑電池成為可能。
然而，實現(xiàn)鋰載體分子的設想，需要分子具備嚴格且復雜的物理化學性質(zhì)，包括分子的電化學活性、分解電壓的范圍、溶解度、空氣穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、酸堿性、分解產(chǎn)物的成分、反應動力學、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)驗進行設計。
為此，團隊利用AI結合化學信息學，將分子結構和性質(zhì)數(shù)字化，通過引入有機化學、電化學、材料工程技術方面的大量關聯(lián)性質(zhì)，構建數(shù)據(jù)庫，利用非監(jiān)督機器學習，進行分子推薦和預測，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，力爭將技術轉化為產(chǎn)品和商品，助力國家在新能源領域的引領性發(fā)展。
記者從復旦大學獲悉，該校高分子科學系、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)設計規(guī)則，對電池進行“精準治療”，幫助其突破了現(xiàn)有壽命極限，未來應用前景廣泛。
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。
復旦團隊提出了一個打破電池基礎設計原則中鋰離子依賴共生于正極材料的理論，通過AI和有機電化學的結合，成功設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、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，團隊提出了大膽設想——設計鋰載體分子，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，精準補充電池中損失的鋰離子，實現(xiàn)容量的恢復，對電池進行“精準治療”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，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筑電池成為可能。
然而，實現(xiàn)鋰載體分子的設想，需要分子具備嚴格且復雜的物理化學性質(zhì)，包括分子的電化學活性、分解電壓的范圍、溶解度、空氣穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、酸堿性、分解產(chǎn)物的成分、反應動力學、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)驗進行設計。
為此，團隊利用AI結合化學信息學，將分子結構和性質(zhì)數(shù)字化，通過引入有機化學、電化學、材料工程技術方面的大量關聯(lián)性質(zhì)，構建數(shù)據(jù)庫，利用非監(jiān)督機器學習，進行分子推薦和預測，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，力爭將技術轉化為產(chǎn)品和商品，助力國家在新能源領域的引領性發(fā)展。
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