記者 黃海華
手機(jī)或電動(dòng)車(chē)鋰電池衰減后，等待它的往往是報(bào)廢的命運(yùn)。如同人生病，電池衰減只是鋰離子越來(lái)越少，其他部分仍保持完好，是否可以“打一針”補(bǔ)充鋰離子讓其“起死回生”呢？
這一看上去有些“瘋狂”的想法，已被復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝/高悅團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。通過(guò)“精準(zhǔn)治療”，鋰電池在充放電上萬(wàn)次后仍接近出廠時(shí)的“健康”狀態(tài)，循環(huán)壽命從目前的500—2000圈提升到超過(guò)12000—60000圈，這在國(guó)際上尚屬首次。今天，這一重大原創(chuàng)成果在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
打破電池設(shè)計(jì)原則
鋰電池廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、交通工具和儲(chǔ)能電站等，極大地改變了人們的生活方式。鋰離子消耗到一定程度后自然報(bào)廢。
創(chuàng)新，正是對(duì)“慣例”的挑戰(zhàn)。
“其實(shí)我在讀博士時(shí)就有了這個(gè)念頭，直到入職復(fù)旦，這里有著很好的科研‘土壤’，我也有了自己的團(tuán)隊(duì)，這才開(kāi)始付諸實(shí)施。”復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系青年研究員高悅告訴記者，盡管自己從事基礎(chǔ)科學(xué)研究，但他希望解決的是能源領(lǐng)域最緊迫的問(wèn)題。
當(dāng)下，電動(dòng)車(chē)電池只能保證6—8年的高性能壽命；低溫使用會(huì)加速電池變壞；即將到來(lái)的大規(guī)模電池報(bào)廢，可能造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)……
在高悅看來(lái)，未來(lái)會(huì)是一個(gè)高度電氣化的世界，因此亟須變革電池技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。
創(chuàng)新，來(lái)自跨界的啟發(fā)。
從天然產(chǎn)物全合成到免疫治療，從3D打印到有機(jī)材料和器件，一次次跨界研究經(jīng)歷塑造了高悅的“科學(xué)想象力”。
在沒(méi)有任何研究先例支撐的情況下，團(tuán)隊(duì)提出大膽設(shè)想——打破電池一貫的設(shè)計(jì)原則，將活性鋰離子“注射”進(jìn)電池。
AI輔助篩選分子
首先需要找到合適的活性鋰離子。如果沿用傳統(tǒng)研究范式，即依靠理論和經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，將是一個(gè)曠日持久的過(guò)程。
得益于復(fù)旦大學(xué)深化科研范式變革和推動(dòng)科學(xué)智能生態(tài)建設(shè)，高分子科學(xué)系成立了科學(xué)智能中心，支持師生利用AI探索未知的分子世界。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)AI的輔助，從300余萬(wàn)個(gè)虛擬分子中篩選并人工合成了鋰離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰，研究人員將其稱(chēng)之為“鋰藥物”。
記者在實(shí)驗(yàn)室得以一睹其真容——一種白色粉末。它可溶解在電解液里，經(jīng)“打一針”注入廢舊衰減的電池中，充電后鋰電池就會(huì)“滿(mǎn)血復(fù)活”。
“鋰藥物”就像一個(gè)“搬運(yùn)工”，只輸送鋰離子，并不改變鋰電池原有結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式，理論上也不會(huì)新增可能的風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)損修復(fù)電池。
此外，這一“無(wú)中生有”的白色粉末，不僅易合成而且成本低廉，未來(lái)可大規(guī)模制備。
與國(guó)際頂尖電池企業(yè)合作
“打一針”后的鋰電池還能用多久？
“充放電12000次后的衰減率是4%，這相當(dāng)于每天充電兩次的電動(dòng)車(chē)電池，可以使用18年，18年后的衰減率是4%。而現(xiàn)有的電動(dòng)車(chē)電池如果每天充電兩次，僅2.73年后，衰減率就達(dá)到30%。”高悅說(shuō)。
這意味著，經(jīng)“多次注射”未來(lái)鋰電池將不再有報(bào)廢的概念，還可助力大規(guī)模儲(chǔ)能。
此外，鋰電池在制作時(shí)必須含鋰的束縛規(guī)則也被打破。“目前很多不含鋰的綠色材料無(wú)法用于制作電池，未來(lái)我們可以直接把鋰離子注射進(jìn)電池，如此一來(lái)，使用環(huán)保、不含重金屬的材料構(gòu)筑電池成為可能。”
這一原創(chuàng)技術(shù)何時(shí)可以落地應(yīng)用？
高悅告訴記者，相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都是在真實(shí)電池器件而非模型上完成，團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展鋰離子載體分子的大規(guī)模制備，并與國(guó)際頂尖電池企業(yè)展開(kāi)合作，力爭(zhēng)早日將這一技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和商品。
