研究示意圖。為鋰聞科復(fù)旦大學(xué)供圖

■本報見習(xí)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(yōu)勢，池續(xù)鋰離子電池自上世紀(jì)90年代誕生起，命新便迅速成為能源領(lǐng)域的學(xué)網(wǎng)“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(xù)說明鋰離子電池仍有極大提升空間。命新此外，學(xué)網(wǎng)廢舊電池處理問題尤為緊迫，打一針隨著大規(guī)模電池退役回收潮的為鋰聞科到來，環(huán)境污染和資源浪費的離電風(fēng)險也日益增加。

中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)教授彭慧勝和該校青年研究員高悅團(tuán)隊的最新進(jìn)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(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

給電池“送鋰”

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)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(zhì)遷移到負(fù)極，并嵌入負(fù)極材料中，將能量以化學(xué)能的形式存儲起來；放電時，鋰離子又經(jīng)由電解質(zhì)回到正極，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，供不同的電子設(shè)備使用。

但在往返正負(fù)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(yīng)。隨著使用次數(shù)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(xué)反應(yīng)，最終造成電池容量不斷減少。因此，當(dāng)電動車的電池容量衰減到70%~80%時，就需要及時進(jìn)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(jīng)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(chǎn)使用。

“人生病了就會去醫(yī)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(xué)報》。

2020年12月加入復(fù)旦大學(xué)后，高悅就開始回答這個問題。他和團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，有一部分廢舊鋰離子電池的確“病不致死”，其正負(fù)極、隔膜都完好，僅僅是鋰離子含量“告急”。

失血嚴(yán)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(fù)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(chǎn)過程中有一個關(guān)鍵步驟——利用注液針，將電解液注入包含正負(fù)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(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士生陳舒拿著一個圓柱鋰離子電池向《中國科學(xué)報》記者演示操作過程：電池的正負(fù)極分別連著一根細(xì)細(xì)的白色導(dǎo)管，把鋰載體分子和電解液一起從一側(cè)導(dǎo)管注入后，再充一次電，使分子在電池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)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(dǎo)管離開。

“這和電池的生產(chǎn)過程完全一致，并沒有改變現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)出接近出廠時的健康狀態(tài)。據(jù)估計，電池循環(huán)壽命將從目前的500~2000圈提升到12000~60000圈。值得一提的是，相關(guān)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(fā)現(xiàn)實際應(yīng)用中潛在的問題并予以解決。

用頭腦風(fēng)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(dá)作用組織或器官，發(fā)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(nèi)。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(chǎn)和使用過程、加進(jìn)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(jìn)去，并在電池內(nèi)完全分解，同時反應(yīng)過程必須是溫和的。”

記者在實驗室中見到了由團(tuán)隊設(shè)計并合成的這種特殊分子——三氟甲基亞磺酸鋰。和絕大多數(shù)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(tuán)隊師生“犧牲”了不少腦細(xì)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(yīng)該具備哪些特性，卻無法鎖定具體的分子。大膽假設(shè)、小心求證、不符合要求就重新假設(shè)……這樣的循環(huán)反復(fù)發(fā)生。

“我們經(jīng)常坐在一起開展頭腦風(fēng)暴，盡可能發(fā)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(chǎn)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(xué)科背景，能夠在思維碰撞中萌發(fā)靈感。”

最初，他們用化學(xué)思維，結(jié)合已有的知識儲備和經(jīng)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(fù)旦大學(xué)在人工智能（AI）方面的布局，他們嘗試將AI引入研究中。團(tuán)隊結(jié)合AI進(jìn)行多方向性的分子設(shè)計和搜尋以及后續(xù)實驗驗證，最終找到了三氟甲基亞磺酸鋰。它的各項化學(xué)和物理性質(zhì)都符合預(yù)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(chǔ)研究的突破——團(tuán)隊打破了電池基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用潛力。

“我們正在開展鋰離子載體分子的大規(guī)模制備，并與國際頂尖電池企業(yè)合作，力爭將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和商品。”高悅透露。

該技術(shù)主要有3個應(yīng)用場景：首先是作為現(xiàn)有生產(chǎn)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(dāng)長的時間里保持接近出廠時的“機(jī)能”；最重要的是電池修復(fù)，改變現(xiàn)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(fā)展清潔能源的今天，解決電池修復(fù)問題有著重大的戰(zhàn)略意義。如太陽能、風(fēng)能等清潔能源依賴于自然條件，波動性較大，無法與用電負(fù)荷完全匹配，需要儲能系統(tǒng)發(fā)揮好“電網(wǎng)充電寶”的作用。

目前建設(shè)的新型儲能項目中，80%以上都使用鋰離子電池，但由于循環(huán)壽命短、性能衰減、安全性等問題，距離實際應(yīng)用仍有一段路要走。此外，大型儲能電站的容量往往高達(dá)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(jù)估計，要建大型儲能電站，電池的深度充放電循環(huán)次數(shù)超過15000次才能回本。我們的電池目前已經(jīng)‘打了6針’，循環(huán)次數(shù)達(dá)12000次，仍表現(xiàn)出96%的健康狀態(tài)。”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(zhuǎn)型。

設(shè)計“保鮮膜”穩(wěn)定電池界面、利用3D打印技術(shù)讓電池不膨脹、為機(jī)器狗調(diào)配“能量奶茶”……研究團(tuán)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(jī)制-材料-器件”的全鏈條研究工作，以期通過基礎(chǔ)研究的突破，解決更多能源領(lǐng)域的痛點和難點。

“這項工作只針對正負(fù)極完好的電池，我們正在開展一系列與電池修復(fù)相關(guān)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(yǎng)’，防止電池性能衰退和出現(xiàn)異常。”高悅說，“我們也在探索更綠色的電池材料，希望開發(fā)一款以生物質(zhì)為原料的有機(jī)電池。”

相關(guān)論文信息：

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