研究示意圖。為鋰聞科復旦大學供圖

■本報見習記者 江慶齡

憑借高能量密度、離電輕便性以及快速充電等優勢，池續鋰離子電池自上世紀90年代誕生起，命新便迅速成為能源領域的學網“寵兒”，深刻改變了人們的打一針生活。

但是為鋰聞科，目前電動車仍存在使用一段時間后需要頻繁充電、離電低溫下突然“消極怠工”等問題，池續說明鋰離子電池仍有極大提升空間。命新此外，學網廢舊電池處理問題尤為緊迫，打一針隨著大規模電池退役回收潮的為鋰聞科到來，環境污染和資源浪費的離電風險也日益增加。

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條新的解決途徑。2月13日，相關研究成果發表于《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。

但在往返正負極的旅途中，鋰離子難免會遇上意外，即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。因此，當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，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？由此，我們就想看看電池的‘病癥’在哪里，再對癥治療。”高悅告訴《中國科學報》。

2020年12月加入復旦大學后，高悅就開始回答這個問題。他和團隊發現，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，是否就能恢復活力呢？

順著這個思路，他們嘗試了多種方法，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。

研究人員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”。

論文第一作者、復旦大學高分子科學系博士生陳舒拿著一個圓柱鋰離子電池向《中國科學報》記者演示操作過程：電池的正負極分別連著一根細細的白色導管，把鋰載體分子和電解液一起從一側導管注入后，再充一次電，使分子在電池內發生反應而分解，最終鋰離子留在電池中，其他元素則以氣體形式順著另一端導管離開。

“這和電池的生產過程完全一致，并沒有改變現有的成熟工藝。”高悅介紹，“平常使用時，把口子封上就可以了。”

經過兩年多的驗證，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12000~60000圈。值得一提的是，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。

用頭腦風暴尋找“理想分子”

這項工作的一大難點是找到合適的鋰載體分子。

正如雖然藥物中最終起作用的只是某一兩個化合物，但它們只有在制劑的幫助下，才能順利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離子的形式被運送到電池內。考慮到不能給電池添加額外成分，后者首先被排除了。

“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。”陳舒解釋說，“這就要求分子以化合物的形式加進去，并在電池內完全分解，同時反應過程必須是溫和的。”

記者在實驗室中見到了由團隊設計并合成的這種特殊分子——三氟甲基亞磺酸鋰。和絕大多數化合物一樣，它呈白色粉末狀，被裝在常見的玻璃容器中。但找到這個“天選”分子，屬實讓團隊師生“犧牲”了不少腦細胞。

這是一項沒有先例可以參考的工作。研究人員雖然知道分子應該具備哪些特性，卻無法鎖定具體的分子。大膽假設、小心求證、不符合要求就重新假設……這樣的循環反復發生。

“我們經常坐在一起開展頭腦風暴，盡可能發散思維，討論各種天馬行空的想法，給電池‘打針’就是在這個過程中產生的想法。”高悅笑道，“我們的一大特點是交叉，大家有著不同的學科背景，能夠在思維碰撞中萌發靈感。”

最初，他們用化學思維，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，他們嘗試將AI引入研究中。團隊結合AI進行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。它的各項化學和物理性質都符合預期，同時易合成且成本低。

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與正極材料依賴共生的理論，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。”高悅透露。

該技術主要有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，使電池在相當長的時間里保持接近出廠時的“機能”；最重要的是電池修復，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。

在大力發展清潔能源的今天，解決電池修復問題有著重大的戰略意義。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。

目前建設的新型儲能項目中，80%以上都使用鋰離子電池，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路要走。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，要建大型儲能電站，電池的深度充放電循環次數超過15000次才能回本。我們的電池目前已經‘打了6針’，循環次數達12000次，仍表現出96%的健康狀態。”高悅說，希望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。

設計“保鮮膜”穩定電池界面、利用3D打印技術讓電池不膨脹、為機器狗調配“能量奶茶”……研究團隊以往的研究看起來都頗為有趣，無一不是立足于實際問題。目前，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。

“這項工作只針對正負極完好的電池，我們正在開展一系列與電池修復相關的研究，比如針對電動車起火問題，我們在嘗試通過給電池做定期‘體檢’和‘保養’，防止電池性能衰退和出現異常。”高悅說，“我們也在探索更綠色的電池材料，希望開發一款以生物質為原料的有機電池。”

相關論文信息：

http://doi.org/10.1038/s41586-024-08465-y