“打一针”，为锂离子电池“续命”?
研讨表示图。■本报见习记者 江庆龄凭仗高能量密度、轻巧性以及疾速充电等上风，锂离子电池自上世纪90年月出生起，便敏捷成为动力范畴的“骄子”，深入转变了人们的生涯。然而，现在电动车仍存在应用一段时光后须要频仍充电、高温下忽然“悲观怠工”等成绩，阐明锂离子电池仍有极年夜晋升空间。别的，废旧电池处置成绩尤为紧急，跟着年夜范围电池退役接纳潮的到来，情况传染跟资本挥霍的危险也日益增添。中国迷信院院士、复旦年夜学教学彭慧胜跟该校青年研讨员高悦团队的最新停顿，为退役电池的处置供给了一条新的处理道路。2月13日，相干研讨结果宣布于《天然》。给电池“送锂”锂离子电池重要由正极、负极、隔阂、电解质4个局部构成，此中锂离子起源于正极的锂金属氧化物。锂离子是电池的能量“搬运工”：充电时，锂离子从正极脱嵌，经由过程电解质迁徙到负极，并嵌入负极资料中，将能量以化学能的情势存储起来；放电时，锂离子又经过电解质回到正极，将化学能转换为电能，供差别的电子装备应用。但在来回正负极的旅途中，锂离子未免会赶上不测，即差别起因形成的副反映。跟着应用次数的一直增添，一些自在的锂离子逐步被约束住，无奈再参加电化学反映，终极形成电池容量一直增加。因而，当电动车的电池容量衰减到70%~80%时，就须要实时停止调换。针对这类电池，现在罕见的处置方法是接纳再应用。经由拆解、粉碎、分选、冶炼等步调，从中提取有效资料，以供电池的再出产应用。“人抱病了就会去病院看病，电池出了成绩，为什么就直接宣布逝世亡了？由此，咱们就想看看电池的‘病症’在那里，再对症医治。”高悦告知《中国迷信报》。2020年12月参加复旦年夜学后，高悦就开端答复这个成绩。他跟团队发明，有一局部废旧锂离子电池确实“病不致逝世”，其正负极、隔阂都齐备，仅仅是锂离子含量“紧急”。掉血重大的病人，给他们实时输血就可能抢救性命。对锂离子电池而言，把缺掉的“能量之源”锂离子送归去，能否就能规复活气呢？顺着这个思绪，他们实验了多种方式，终极想出了一个绝佳计划。锂离子电池出产进程中有一个要害步调——应用注液针，将电解液注入包括正负极以及隔阂的电池雏形。为了进步充放电效力，电解液中会增加大批锂离子。研讨职员决议给出厂后的电池电解液补一些锂离子，高悦将这个进程描述为“打一针”。论文第一作者、复旦年夜学高分子迷信系博士生陈舒拿着一个圆柱锂离子电池向《中国迷信报》记者演示操纵进程：电池的正负极分辨连着一根细细的白色导管，把锂载体分子跟电解液一同从一侧导管注入后，再充一次电，使分子在电池内产生反映而剖析，终极锂离子留在电池中，其余元素则以气体情势顺着另一端导管分开。“这跟电池的出产进程完整分歧，并不转变现有的成熟工艺。”高悦先容，“平凡应用时，把口儿封上就能够了。”经由两年多的验证，试验室中的电池在充放电上万次后，仍展示出濒临出厂时的安康状况。据估量，电池轮回寿命将从现在的500~2000圈晋升到12000~60000圈。值得一提的是，相干的验证明验都是在实在电池器件而非模子上实现的，因而能够实时发明现实利用中潜伏的成绩并予以处理。用脑筋风暴寻觅“幻想分子”这项任务的一浩劫点是找到适合的锂载体分子。正如固然药物中终极起感化的只是某一两个化合物，但它们只有在制剂的辅助下，才干顺遂达到感化构造或器官，施展更好的疗效，并增加反作用，锂离子也只能以化合物或溶液离子的情势被输送到电池内。斟酌到不克不及给电池增加额定身分，后者起首被消除了。“这个化合物分子必需同时具有3个特色：可能把锂离子留下、完整兼容电池的出产跟应用进程、加进电池后不会带来任何额定的变更。”陈舒说明说，“这就请求分子以化合物的情势加出来，并在电池内完整剖析，同时反映进程必需是平和的。”记者在试验室中见到了由团队计划并分解的这种特别分子——三氟甲基亚磺酸锂。跟绝年夜少数化合物一样，它呈白色粉末状，被装在罕见的玻璃容器中。但找到这个“天选”分子，失实让团队师生“就义”了不少脑细胞。这是一项不先例能够参考的任务。研讨职员固然晓得分子应当具有哪些特征，却无奈锁定详细的分子。勇敢假设、警惕求证、不合乎请求就从新假设……如许的轮回重复产生。“咱们常常坐在一同发展脑筋风暴，尽可能发散头脑，探讨种种天马行空的主意，给电池‘注射’就是在这个进程中发生的主意。”高悦笑道，“咱们的一年夜特色是穿插，各人有着差别的学科配景，可能在头脑碰撞中萌生灵感。”最初，他们用化学头脑，联合已有的常识贮备跟教训，寻觅可能的分子，再试验验证。但是，这种近乎“试试看”的搜寻方法，在面临海量的化合物分子时，显得力所能及。依靠复旦年夜学在人工智能（AI）方面的规划，他们实验将AI引入研讨中。团队联合AI停止多偏向性的分子计划跟搜查以及后续试验验证，终极找到了三氟甲基亚磺酸锂。它的各项化学跟物感性质都合乎预期，同时易分解且本钱低。风趣且有效的研讨给电池“打一针”，一方面是基本研讨的冲破——团队攻破了电池基本计划准则中锂离子与正极资料依附共生的实践，将电池活性载流子跟电极资料解耦，另一方面也极具利用潜力。“咱们正在发展锂离子载体分子的年夜范围制备，并与国际顶尖电池企业配合，力图将技巧转化为产物跟商品。”高悦流露。该技巧重要有3个利用场景：起首是作为现有出产工艺的帮助，增添电池出厂时的容量；其次是延伸电池的应用寿命，使电池在相称长的时光里坚持濒临出厂时的“性能”；最主要的是电池修复，转变当初“一刀切”接纳再应用的方法，处理废旧电池的接纳困难。在鼎力开展干净动力的明天，处理电池修复成绩有侧重年夜的策略意思。如太阳能、风能等干净动力依附于天然前提，稳定性较年夜，无奈与用电负荷完整婚配，须要储能体系施展好“电网充电宝”的感化。现在建立的新型储能名目中，80%以上都应用锂离子电池，但因为轮回寿命短、机能衰减、保险性等成绩，间隔现实利用仍有一段路要走。别的，年夜型储能电站的容量每每高达兆瓦时级别乃至更年夜，所应用的电池体积动辄多少十破方米，调换本钱之高不问可知。“据估量，要建年夜型储能电站，电池的深度充放电轮回次数超越15000次才干回本。咱们的电池现在曾经‘打了6针’，轮回次数达12000次，仍表示出96%的安康状况。”高悦说，盼望这项研讨的冲破可能辅助处理储能成绩，推进我国的干净动力转型。计划“保鲜膜”稳固电池界面、应用3D打印技巧让电池不收缩、为呆板狗分配“能量奶茶”……研讨团队以往的研讨看起来都颇为风趣，无一不是破足于现实成绩。现在，他们正在发展“分子-机制-资料-器件”的全链条研讨任务，以期经由过程基本研讨的冲破，处理更多动力范畴的痛点跟难点。“这项任务只针对正负极齐备的电池，咱们正在发展一系列与电池修复相干的研讨，比方针对电动车起火成绩，咱们在实验经由过程给电池做按期‘体检’跟‘颐养’，避免电池机能消退跟呈现异样。”高悦说，“咱们也在摸索更绿色的电池资料，盼望开辟一款以生物资为质料的无机电池。”相干论文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-024-08465-y
