近年來，鋰電池不斷改變人們的生活方式，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；儲能電站和極端環境儲能場景需要電池壽命提升一個數量級；即將到來的大規模電池退役回收，可能造成環境污染和資源浪費。

面對這些緊迫問題，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程全國重點實驗室、纖維材料與器件研究院、高分子科學智能中心彭慧勝/高悅團隊歷經四年多時間，持續尋找解決之道，思考可否通過“精準治療”，延長鋰電池的壽命、減少電池報廢污染。

研究成果重塑電池壽命規律  本文圖均為 復旦大學 供圖

北京時間2月13日0時，團隊相關研究成果以《外部供鋰技術突破電池的缺鋰困境和壽命界限》（“External Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries”）為題在《自然》（Nature）主刊上發表。該研究成功設計了從未被報道過的鋰載體分子，將電池活性載流子和電極材料解耦。這種載體分子就像藥物一樣，可以通過“打一針”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，實現容量的恢復，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。

高悅向澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者介紹道，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。

自1990年以來固定的電池材料和結構框架

“我們深入分析了電池基本原理，并進行了大量實驗驗證，發現電池衰減和人生病一樣，是某個核心組件發生了異常，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，在不破壞電池的情況下把鋰離子補回去，從而大幅延長它的壽命和服役時間？我們想到了‘精準治療’這一方法，來代替過去的報廢回收。”高悅表示，基于這一設想，團隊創新研究范式，利用AI的“超級大腦”結合化學信息學，將分子結構和性質數字化，通過引入有機化學、電化學、材料工程技術方面的大量關聯性質，構建數據庫，利用非監督機器學習，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（CF3SO2Li）。這種載體分子通過“打一針”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，電池在充放電上萬次后仍展現出接近出廠時的健康狀態，循環壽命從目前的500-2000圈提升到超過12000-60000圈，這在國際上尚無先例。

合成這種分子后，團隊又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應用。

AI輔助的功能有機分子設計

記者了解到，研究團隊一直致力于開展“分子-機制-材料-器件”的全鏈條工作，以期讓具有變革性的基礎研究解決實際問題，讓科研成果“落到實處”。因此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，以此充分暴露可能的問題并予以解決，從而推動下一步的產業轉化。比如提升分子反應動力學以避免影響電池的化成速度；探索化學制備反應路徑，能夠低成本、精準合成高純度分子。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合作，力爭將技術轉化為產品和商品，助力國家在新能源領域的引領性發展。

新概念設想對分子結構要求苛刻

“長遠來看，這一發明將對可持續發展有巨大意義，能夠減少大量電池報廢引發的環境污染。未來，這一技術也有希望應用于大規模儲能上，解決電動車電池壽命不足的問題。用戶也能獲得更好的體驗，買到的電池在三年之內不會快速掉電。”高悅在采訪中表示。

復旦大學為獨立通訊單位，彭慧勝和高悅為該論文通訊作者，高分子科學系博士研究生陳舒為第一作者，合作單位包括南開大學、湖南工程學院和深圳大學，研究得到科技部、國家自然科學基金委、上海市科委、復旦大學科學智能專項基金等項目支持。