如今,锂电池已经成为人们生活中不可或缺的能源产品,尤其在新能源汽车上被广泛使用,但它的性能还有相当的提升空间。目前,新能源汽车上的电池大多只能保证6—8年或1000—1500次充放电的使用寿命,且在低温等极端工作条件下会加速电池的老化与损坏。而即将到来的电池大面积退役与回收,也带来了潜在的环境污染与资源浪费的风险。
面对这些实际且紧迫的问题,复旦大学高分子科学系彭慧胜/高悦团队一直在思考如何通过基础研究创新来提供解决方案。2月13日,相关研究成果以《外部供锂技术突破电池的缺锂困境和寿命界限》为题在《自然》主刊上发表。
给电池“打针”
电池中的活性锂离子是由正极材料提供的,锂离子损失消耗到一定程度后,电池就会失效,这是锂离子电池自1990年问世以来一直遵循的基本原则。活性锂离子失效,通常表现为电池容量衰减、内阻增加、充放电效率降低以及循环寿命缩短等,这些失效现象直接影响新能源汽车的续航里程和使用寿命。
彭慧胜/高悦团队深入分析了电池的基本原理,并进行了大量实验验证,发现电池衰减和人生病一样,是某个核心组件发生了异常,而其他部分却基本保持完好。“那为什么不像治病一样,开发变革性功能材料,对电池也进行精准、原位无损的锂离子补充,从而大幅延长它的寿命和服役时间,而不是简单地判定‘死亡’、报废回收呢?”
团队提出了打破电池基础设计原则中锂离子依赖共生于正极材料的理论,通过人工智能(AI)和有机电化学的结合,设计出从未被报道的锂载体分子,将电池活性载流子和电极材料解耦。这种载体分子就像药物一样,可以通过“打一针”的方式注入到废旧衰减的电池中,精准补充电池中损失的锂离子,实现容量恢复,对电池进行“精准治疗”而不是“宣布死亡”,为退役电池的处理提供了新模式。使用这一技术,电池在充放电上万次后仍能恢复到接近出厂时的健康状态,循环寿命从目前的500—2000次提升到12000—60000次,这在国际上尚无先例报道。此外,电池材料必须含锂的束缚规则也被打破,使用绿色、不含重金属的材料构筑电池成为可能。
不走“寻常路”
要实现锂载体分子,就需要分子具备严格且复杂的物理化学性质,涉及分子电化学活性、分解电压的范围、溶解度、空气稳定性、化学稳定性、酸碱性、分解产物的成分、反应动力学、分子可合成性和成本等等。这种分子机制之前没有报道过,无法通过传统研究范式即依靠理论和经验来设计。
为此,团队利用AI结合化学信息学,将分子结构和性质数字化,通过引入有机化学、电化学、材料工程技术方面的大量关联性质,构建数据库,利用无监督机器学习,进行分子推荐和预测,成功获得从未被报道的锂离子载体分子——三氟甲基亚磺酸锂(CF3SO2Li)。
经过艰苦努力,团队合成出这种分子,并且验证了其具备各种严苛的性能要求,且成本低、易合成,与各类电池活性材料、电解液以及其他组分有良好的兼容性,成功在软包、圆柱、方壳和纤维状锂离子电池器件上实现应用。
为推动学术科研向工程应用转化,去解决实际问题,科研团队始终沿着“分子—机制—材料—器件”的全链条工作路径推进。研究相关的验证实验都是在真实电池器件而非模型上完成的,以充分暴露可能的问题并予以解决,从而推动下一步的产业转化。比如,提升分子反应动力学,以避免影响电池的化成速度;探索化学制备反应路径,能够低成本、精准合成高纯度分子。目前,团队正在开展锂离子载体分子的宏量制备,并与国际顶尖电池企业合作,力争将技术尽快转化为产品和商品,助力国家在新能源领域的引领性发展。
本报记者 张炯强