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【顶刊论文解读】让废旧锂电池“满血复活”,AI开出“神奇药方”!

来源:光明网2025-02-17 17:03

  无论是日常使用的手机、电脑,还是绿色出行的电动汽车,锂电池都扮演着关键角色。然而,随着充放电次数的增加,锂电池会逐渐 “衰老”,不仅续航能力越来越差,影响使用体验,还会带来环境污染和资源浪费等问题,最长寿命也只有6-8年。

  最近,复旦大学的彭慧胜团队、高悦团队取得了一项重大突破,通过将人工智能和有机电化学结合,成功设计出从未被报道的锂载体分子。这一成果发表在《自然》杂志上,在国际上尚无先例。

【顶刊论文解读】让废旧锂电池“满血复活”,AI开出“神奇药方”!

  精准治疗:对废旧电池不抛弃、不放弃

  要理解这项技术的神奇之处,首先要知道锂电池为什么会 “衰老”。锂电池的工作原理基于锂离子在正负极之间的移动。充电时,正极材料为电池发生电化学反应提供足够的Li+,产生的Li+在电解质的运输下,穿过隔膜Li+专属通道,到达负极材料。放电过程中,电子与Li+同时从负极出发,电子通过外电路到达正极,Li+由电解质运输至正极,与电子结合。

  自1990年商业化以来,锂电池始终受限于一个根本性矛盾:正极材料中预存的锂离子既是能量载体,也是寿命的“沙漏”——随着充放电次数的增加,锂离子因副反应持续损耗,即便电极材料完好无损,电池也会因“锂枯竭”而失效。

【顶刊论文解读】让废旧锂电池“满血复活”,AI开出“神奇药方”!

  为什么不能像“治病”一样,开发变革性功能材料,对电池进行精准、原位无损的锂离子补充,从而延长其寿命?

  复旦大学彭慧胜团队、高悦团队通过引入有机化学、电化学、材料工程技术方面的大量关联性质,构建数据库,利用非监督机器学习,进行分子推荐和预测。经过研究,成功获得了从未被报道的锂离子载体分子——三氟甲基亚磺酸锂。

  这种白色粉末状化合物具备三大特性:

  一是精准分解:在2.8-4.3V充电电压窗口内不可逆氧化,释放锂离子并分解为SO₂、CHF₃等气体,经电池排气系统排出,实现“零残留”;二是普适兼容:可溶于常规电解液,与石墨、硅碳负极及各类正极材料完美适配;三是工业友好:空气中稳定,合成成本低于传统电解液添加剂,占电池总成本比例不足10%。

【顶刊论文解读】让废旧锂电池“满血复活”,AI开出“神奇药方”!

功能有机分子三氟甲基亚磺酸锂(CF3SO2Li)为电池补充锂离子

  “药剂”到位,下一步就要“注射”。这个过程可以归纳为四步曲。首先是配液,将三氟甲基亚磺酸锂溶解于电解液,浓度可达12.5%;第二步是注入,通过预留导管将混合液注入未激活的“干电池”;第三步是活化,充电时锂盐在阳极分解,释放锂离子嵌入负极;第四步是净化,分解气体经封装工艺排出,电池即可投入循环使用。

  整个过程无需拆解电池,现有产线仅需增加注液工序即可升级,产业化门槛极低。

  AI for Science的典范

  这项成果中,还有一个最大的亮点,就是团队采用了人工智能辅助的全新能源分子设计方法。

  过去,设计分子是基于“试错法”,科学家们需要假想着去做一种结构,设计出来后合成再验证。

  但要实现锂载体分子的设想,需要分子具备严格且复杂的物理化学性质,包括分子的电化学活性、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。这样的分子机制学界尚无先例,无法通过传统研究范式,即依靠经验和直觉进行设计。

  通过AI,可以系统性地去搜寻所有的可能性,然后对可能性进行评估,避免落入局部优化陷阱。

【顶刊论文解读】让废旧锂电池“满血复活”,AI开出“神奇药方”!

  历时四年多的探索,团队成功结合AI和有机电化学,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,利用非监督机器学习,进行分子推荐和预测,最终才获得了三氟甲基亚磺酸锂,让AI for Science理念真正落地。

  “我们实验发现,使用这一技术,电池在充放电上万次后仍展现出接近出厂时的健康状态(96%容量),循环寿命从目前的500~2000圈提升到超过12000~60000圈。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。”论文的通讯作者之一高悦说。

  目前锂载体分子已通过初期实验验证,预计在电池总成本中占比不到10%,具备大规模商用潜力,可用于补锂、储能、光储一体化。团队正在开展锂载体分子的宏量制备,并与国际顶尖电池企业合作,力争将技术转化为产品和商品,助力国家在新能源领域的引领性发展。从源头解决电池大规模报废的问题,使产业生态走向智能化、环保化。

  很多人好奇,如果这项技术未来广泛应用,会对新能源汽车产业带来什么影响?又会对我们的生活带来哪些改变?对此,我们问了deepseek↓↓

【顶刊论文解读】让废旧锂电池“满血复活”,AI开出“神奇药方”!

【顶刊论文解读】让废旧锂电池“满血复活”,AI开出“神奇药方”!

  【科视评】

  锂电池是现代生活的“能源心脏”,此次科研人员以“AI+有机电化学”跨界融合,设计出锂载体分子,让电池“延寿”,打破了传统“试错法”的局限,展现出了AI for Science的无限潜力。

  采用该技术后,电池在充放电上万次后仍展现出接近出厂时的健康状态,循环寿命提升24-30倍左右,为解决锂电池“衰老”问题提供了切实可行的解决方案。当锂电池寿命从“数年”迈向“数十年”,其影响也将辐射至整个社会。期待这项技术早日产业化,让更多“绿色心跳”强劲跃动,为可持续发展注入澎湃动能。

  记者:蔡琳

  资料来源:复旦大学、上观新闻、中科院物理所等

[ 责编:张梦凡 ]
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