這一問(wèn)題即將得到解決。
北京時(shí)間2月13日，《自然》(Nature)主刊發(fā)表了一項(xiàng)來(lái)自復(fù)旦大學(xué)的研究成果《外部供鋰技術(shù)突破電池的缺鋰?yán)Ь澈蛪勖缦蕖贰?/p>
復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝、高悅團(tuán)隊(duì)提出了打破“電池基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則中鋰離子依賴共生于正極材料”的理論，通過(guò)AI和有機(jī)電化學(xué)的結(jié)合，成功設(shè)計(jì)了鋰載體分子。
這種載體分子就像藥物一樣，可以通過(guò)“打一針”的方式注入到廢舊衰減的電池中，精準(zhǔn)補(bǔ)充電池中損失的鋰離子，為“退役電池”的處理提供了一種全新方式，也生動(dòng)詮釋了AI何以賦能科研。
“精準(zhǔn)治療”電池的大膽設(shè)想
鋰電池工作時(shí)，鋰離子在正負(fù)極之間循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，這個(gè)過(guò)程中，鋰離子不斷被損耗，造成電池容量的衰減和報(bào)廢。然而，隨著新能源汽車普及、智能終端迭代及可再生能源儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)的加速推進(jìn)，我們需要電池的循環(huán)壽命與能量密度實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)突破。
復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系青年研究員高悅在接受采訪時(shí)表示：“自1990年問(wèn)世以來(lái)，電池的結(jié)構(gòu)一直沒(méi)變，它需要正極負(fù)極活性的鋰離子來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。報(bào)廢電池其實(shí)就是缺少這樣的鋰離子。一枚報(bào)廢電池，它的正負(fù)極可能都還是好的。這個(gè)情況讓我們聯(lián)想到，人生病之后，我們會(huì)給他輸入藥物，補(bǔ)充一些物質(zhì)，進(jìn)行精準(zhǔn)治療。那么，為什么不能像治病一樣，對(duì)電池‘精準(zhǔn)治療’，為它輸入鋰離子呢?”
“無(wú)中生有”利用AI探索分子世界
可是，鋰離子并不是醫(yī)院里的藥片、藥水，并不能簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單被電池?cái)z入。輸入鋰離子需要合適的分子作為載體，去擔(dān)當(dāng)“搬運(yùn)工”。高悅說(shuō)：“實(shí)現(xiàn)鋰載體分子的設(shè)想，需要分子具備嚴(yán)格且復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)。咱們的‘搬運(yùn)工’不僅要把鋰離子帶入到電池之中，還要將鋰離子留下，最后自己還能馬上出去。”
這樣的分子聞所未聞，需要發(fā)明創(chuàng)造。這時(shí)AI發(fā)揮了作用。
團(tuán)隊(duì)利用AI結(jié)合化學(xué)信息學(xué)，將分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)字化，通過(guò)引入有機(jī)化學(xué)、電化學(xué)、材料工程技術(shù)方面的大量關(guān)聯(lián)性質(zhì)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)四年的努力，成功獲得了鋰離子載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰(CF3SO2Li)。復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士研究生陳舒、吳官濱向大家介紹：“AI可以幫助我們尋找一個(gè)可能的分子結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)字化編碼，搭建模型，算法模擬，最終獲得我們需要的完美分子。”
合成這種分子后，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了其性能，證實(shí)這個(gè)分子不僅成本低易合成，還能和各類電池活性材料、電解液等有良好的兼容性，成功在鋰離子電池器件上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
“學(xué)以致用”開(kāi)展全鏈條研究
在復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系的實(shí)驗(yàn)室，記者看到，這種載體分子可以通過(guò)為電池“打一針”的方式注入到廢舊衰減的電池中，精準(zhǔn)補(bǔ)充電池中損失的鋰離子，實(shí)現(xiàn)容量的回復(fù)，對(duì)電池進(jìn)行“精準(zhǔn)治療”而不是“宣布死亡”。
據(jù)介紹，使用這一技術(shù)，電池在充放電上萬(wàn)次后仍展現(xiàn)出接近出廠時(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。同時(shí)，基于這一技術(shù)，電池材料必須含鋰的束縛規(guī)則也被打破，使用綠色、不含重金屬的材料構(gòu)筑電池成為可能。
高悅介紹：“我們?cè)噲D把這個(gè)研究成果應(yīng)用到大規(guī)模的儲(chǔ)能上來(lái)。”目前，團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展鋰離子載體分子的宏量制備，并與國(guó)際頂尖電池企業(yè)合作，力爭(zhēng)將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和商品，助力國(guó)家在新能源領(lǐng)域的引領(lǐng)性發(fā)展。
