给废旧电池“打一针”可无损修复？复旦团队用AI设计有机锂载体分子，有望从源头解决电池大规模报废问题

电池技术的快速发展推动了新能源汽车、储能系统等领域的广泛应用。然而，电池寿命的问题不容忽视，大量废旧电池的处理成为了一个亟待解决的问题。

为解决上述问题，复旦大学 彭慧胜 教授和青年研究员 高悦 团队提出了一种全新的策略：通过“打一针”的方式给锂电池无损补充锂离子，实现电池“再生”容量和延长电池寿命。

具体来说，研究人员将 AI 与有机电化学结合，设计出一种全新的有机锂载体分子——三氟甲基亚磺酸锂（LiCF ₃ SO ₂ ）。在电池组装完成后，通过液体注入方式将 LiCF ₃ SO ₂ 引进电池。

值得关注的是， 经过上万次深度充放电测试后，电池容量仍保持在 96% 左右的水平，实现了锂电池寿命提升 1 个数量级。

此外，该技术还成功解构了锂电池对含锂化合物的绝对依赖——采用无毒有机材料构建的新型电极体系，不仅规避了重金属污染风险，证明了无锂电池技术的可能性。

图丨研究团队（来源：复旦大学）

近日，相关论文以《外部供锂技术突破电池的缺锂困境和寿命界限》（ External Li supply reshapes Li deficiency and lifetime limit of batteries ）为题发表在 Nature [1]。

复旦大学博士生陈舒是第一作者，复旦大学青年研究员 高悦 和 彭慧胜 教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源： Nature ）

打破传统限制，首次提出外部锂供应策略

传统上，电池的结构通常被描述为由正极、负极、电解液和隔膜组成，而锂离子的存在往往被忽视，因为它一直依赖于正极材料。

在研究中该课题组发现，商用磷酸铁锂电池失效的核心原因在于锂离子的损耗，而正极材料本身往往仍然完好。也就是说，如果能够补充丢失的锂离子，电池就极有可能恢复容量。

图丨功能有机分子三氟甲基亚磺酸锂（LiCF ₃ SO ₂ ）为电池补充锂离子（来源：复旦大学）

因此，他们提出了一个大胆的想法：是否可以通过外部载体分子单独控制锂源的补充，而不是依赖电极材料？于是，该团队设计了一种锂载体分子，将锂离子从正极材料中分离出来，从而实现对锂离子的单独控制。

高悦 表示，这种化学设计灵感来源于“搬运工”的概念，即通过特定的分子将锂离子带入电池内部，完成任务后再自行离开。这种全液体的补锂方式不仅能够实现高效补锂，还能避免传统补锂方法中固体补锂剂的分散性和安全性等问题。

就像人类生病时需要“打一针”，这一设计思路类似于医学中的精准治疗，通过对电池内部的“病症”进行诊断和修复，实现电池的“再生”。 在不拆解电池的情况下，通过液体形式将锂离子定向引入电池内部，并能够避免引入其他可能影响电池安全性和性能的杂质。

该研究过程中最大的挑战在于：从分子的设计、原理的构建、修复过程的实现，再到器件的改造，所有环节都是从“零”开始，并没有现成的参考和经验可以借鉴。研究人员只能一步一个脚印地摸索前行，这也是这项工作耗时四年多的主要原因。

研究人员用非监督机器学习技术快速筛选了 240 种可能用于锂电池的材料。他们主要考察这些材料的四个关键指标：工作电压、是否容易溶解、能否参与充放电反应以及化学稳定性。经过层层筛选，最终发现一种名为 LiCF ₃ SO ₂ 的材料表现最出色。

研究人员先组合 20 种核心元素和 12 种辅助材料，生成 240 种不同配方。通过智能分类技术，先挑出电压合适且容易溶解的候选材料。

进一步实验验证发现，这种优选材料 LiCF ₃ SO ₂ 有三个突出优点，使它成为制造高性能锂电池的理想选择：

• 工作时电压稳定在 3.8 伏左右；

• 储电能力强（每克能储存近 190 毫安时的电量）；

• 化学反应稳定不可逆，能与现有电池材料完美兼容。

实际上，在研究过程中，他们尝试了多种方法，包括从头设计、传统的“鸟枪法”以及基于分子的线性试错等，最终该课题组将 AI 与有机化学、电化学、材料科学和工程学等多学科领域，用机器学习走通了新型分子筛选这条路。

AI 通过数据分析和结构特征的数字化，快速筛选和生成具有特定功能的分子结构。与人类的线性试错过程不同，AI 不受限于局部优化的思维模式，可以同时探索多种可能性，并生成大量新颖的分子结构。

图丨一种外部锂供应方法，为先天性缺锂电池提供锂离子，并恢复循环锂离子电池（来源： Nature ）

研究过程中有两个令人兴奋的时刻。第一个是多学科交叉的头脑风暴阶段，当团队提出“打一针”来修复电池的想法时，这种创新的思路不仅令人鼓舞，也成为了推动他们持续前进的核心动力。

第二个令人兴奋的时刻是当该课题组成功验证了分子机理的时刻。第一次找到合适的分子时，课题组成员都非常兴奋，感觉技术即将取得突破。然而，随着进一步验证发现其中存在缺陷，研究人员很快调整思路并重新寻找。

“这个过程让我们经历了多次的兴奋和失落，但也正是这种反复试验、不断优化的过程，体现了科学研究的魅力和挑战。”高悦表示。

在电池和储能等领域具有商业化潜力

这项电池技术的突破有望对能源产业带来多维度革新。在商业应用层面，该技术最直接的影响是显著提升锂电池容量和使用寿命。提升锂电池 5% 到 10% 容量并延长使用寿命，将是一个巨大的进步。

这种技术还可以为用户提供更好的体验，比如在高品质手机、无人机或视频设备中，锂电池有望在两年内不会出现明显的“掉电”（电量衰减），让用户免受电池“越用越短”的困扰。

从更长远来看，这项技术可能让换电模式变得更加便捷，储能系统的性能也将不断提升。“该技术通过延长储能电站服役周期，降低迭代频次，有望为国家新能源基建提供底层保障。” 高悦 说。

目前，该团队已经完成了电池组能为电动车提供电能的研究，尽管单个电池可能还不足够，但电瓶技术已经研发完成。未来如果该技术被更多行业采用，将有助于减少电池更换频率，从而降低迭代速度。

总结来说，该技术在降低制造过程中的资源浪费和环境污染风险的同时，也能减少大规模储能系统中电池更换的成本，从而显著提升储能体系的整体经济效益。对于储能领域而言，该技术能够确保电池的循环寿命满足长期储能需求，有力地推动储能系统的健康发展。

据课题组预估， 该技术的成本为每千瓦时 0.9 美元，仅占整体电池成本的 10% 以内，且随着产线建设完善，实际成本可能还会进一步降低。 如果延长了电池的使用寿命，那么相当于降低了它的成本，从而在市场上更具竞争力。

目前，已有头部电池企业对该技术表现出浓厚兴趣。该课题组希望能够与电池厂和原材料生产厂合作，共同推进这一技术快速向产业化应用。

图丨再生石墨电池和无法更换或修复单个电池的潜在应用，可用于电网储能（来源： Nature ）

未来，该团队计划进一步利用该研究中的设计思路，解决大规模电池组的安全性和使用寿命等问题。为此，研究人员提出了两个重点关注的方案。

首先，继续基于 AI 驱动科研范式的变革。未来全新的功能分子开发，将结合 AI 与传统化学材料知识。这不仅能提升开发能力，还能通过 AI 的高效筛选和分析，加速分子设计的进程。

高悦 表示，在以往的研究中，只能逐个尝试分子，而借助 AI 技术的强大工具，一次可以筛选上千个分子，大幅度提高了分子的开发速度，加速应对未来能源领域更广阔的空间探索需求。

其次，通过开发更多新型分子，有望颠覆和改变现有电池的性能规律。无论是在能量密度（即电量）、使用寿命还是安全性方面，都将实现巨大的提升。这样不仅能优化电池的性能，还能使其更加符合未来能源需求的逻辑和要求。

在本次研究中，研究人员还系统、全面性地探索了多种电池材料和体系，包括锂电、钠电以及固态电池等，并计划在两年内构建相对完整的电池体系。 此外，研究人员将继续逐步探索这些体系的潜力，并验证其实际应用的可行性。

总体来说，该团队瞄准性能规律的颠覆性突破，试图通过新型分子设计同步提升能量密度、安全性和循环寿命，这将彻底改变现有电池技术路线图。随着产线规模化带来的成本递减，这项技术有望成为能源转型的关键加速器。