1月17日，公安部公布，截至2024年底，全国新能源汽车保有量达3140万辆，占汽车总量的8.90%。

这个数字背后，有一个绕不开的关键词——锂离子电池。凭借高能量密度、轻便性以及快速充电等优势，锂离子电池自1990年诞生起，便迅速成为能源领域的“宠儿”，深刻改变了人们的生活方式。

与此同时，电动车使用一段时间后需要频繁充电以及低温下突然消极怠工等现实，说明目前的锂离子电池仍有极大的提升空间。

此外，废旧电池处理问题尤为紧迫，随着大规模电池退役回收潮的到来，环境污染和资源浪费的风险也日益凸显。中国科学院院士、复旦大学教授彭慧胜和该校青年研究员高悦团队的最新进展，为退役电池的处理提供了一种新的解决途径。2月13日，该研究发表于《自然》。

研究示意图。

  ?

给电池“送锂”

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解质这4个部分组成，其中锂离子来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，通过电解质迁移到负极，并嵌入负极材料中，将能量以化学能的形式存储起来；放电时，锂离子又经由电解质回到正极，将化学能转换为电能，供不同的电子设备使用。

但在正负极之间往返的旅途中，锂离子难免会遇上些意外情况，也就是不同原因造成的副反应。随着使用次数的不断增加，一些自由的锂离子逐渐被束缚住，无法再参与电化学反应，最终造成电池容量不断减少。也因此，电动车的电池容量衰减到70-80%时，就需要及时进行更换。

针对这类电池，目前常见的处理方式是回收再利用，经过拆解、破碎、分选、冶炼等步骤后，从中提取有用材料，以供电池的再生产使用。

“人生病了就会去医院看病，电池出了问题为什么就直接宣告死亡了呢？很自然地，我们就想看看电池‘病症’在哪里，再对症治疗。”高悦告诉《中国科学报》。

2020年12月加入复旦大学时，高悦就开始试图回答这个问题。他和团队经过研究发现，有一部分废旧锂离子电池的确“病不致死”，其正负极、隔膜都完好，仅仅是锂离子含量“告急”。

失血严重的病人，给他们及时输血就能够挽救生命。对锂离子电池而言，把缺失的“能量之源”锂离子送回去，电池是否就能恢复活力了呢？

顺着这个思路，他们尝试了多种不同方法，最终想出了一个绝佳方案。

锂离子电池生产过程中，有一个关键步骤——利用注液针，将电解液注入包含有正负极以及隔膜的电池雏形。为了提高充放电效率，电解液中会添加少量锂离子。

彭慧胜/高悦团队则决定给出厂后的电池电解液补一些锂离子，高悦将这个过程形容为“打一针”。他拿着一个圆柱锂离子电池向记者演示操作过程，电池的正负极两端分别连着一根细细的白色导管，把锂载体分子从一侧的导管注射进去后，再充一次电，使得分子在电池内发生反应而分解，最终锂离子留在电池中，其他元素则以气体的形式顺着另一端的导管离开。

“这和电池的生产过程是完全一致的，并没有改变现有的成熟工艺。”高悦介绍，“平常使用的时候，把口子封上就可以了。”

经过两年多时间的验证，实验室中的电池在充放电上万次后，仍展现出接近出厂时的健康状态。据估计，电池循环寿命将从目前的500-2000圈提升到超过12000-60000圈。值得一提的是，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，因此可以及时发现实际应用中潜在的问题并予以解决。

头脑风暴寻找“理想分子”

这项工作中的一大难点是要找到合适的锂载体分子。

正如人服用的药物中，最终起作用的只是某一两个化合物，但只有在制剂的帮助下，才能顺利地到达作用组织或器官，发挥更好的疗效，并减少副作用。锂离子也只能以化合物或溶液中离子的形式被运送到电池内，考虑到不能给电池添加额外的成分，后者首先被排除。

“这个化合物分子必须同时具备3个特点，能够把锂离子留下、完全兼容电池的生产和使用过程、加进电池后不会带来任何额外的变化。”高悦解释，“这就要求分子以化合物的形式加进去，在电池内完全分解，同时反应过程必须是温和的。”

记者在实验室中见到了这一由团队设计并合成的特殊分子——三氟甲基亚磺酸锂（CF₃SO₂Li）。它长得和绝大多数化合物都差不多，呈白色粉末状，被装在化学实验室中常见的玻璃容器中，但找到这个“天选”分子，属实是牺牲了团队师生的不少脑细胞。

这是一项没有先例可以参考的工作，团队虽然清楚分子应该具备的特性，却无法锁定具体的分子。大胆假设、小心求证、不符合要求、重新假设……这样的循环反复发生。

“我们经常坐在一起头脑风暴，尽可能地发散思维，讨论各种听起来非常天马行空的想法，诸如给电池‘打针’就是在这个过程中产生的。”高悦笑道，“我们的一大特点是非常交叉，大家有着不同的学科背景和语言，能够在思维碰撞中迸发出新的灵感。”

最初，他们用化学家的思维，结合已有的知识储备和经验，寻找可能的分子，再实验验证。然而，这种近乎“碰运气”的搜索方式，在面对海量的化合物分子时，显得力不从心。

依托复旦大学在人工智能（AI）方面的布局，他们开始尝试将AI的方法引入研究中。团队结合AI多方向性的分子设计和搜寻以及后续实验验证，最终找到了三氟甲基亚磺酸锂，各项化学和物理性质都符合预期，同时易合成且成本低。

“很多的经典问题如果在较长时间内都没有得到解决，那大概率是方法受限了，需要引入不同的视角和工具。”高悦说道，“至于新方法和新领域，学习就是了。”

本着“唯有高度的交叉才能带来新的突破和迸发点”，团队从不惧于踏足新领域、学习新方法。

高悦自身的科研兴趣也发生了多次转变：从天然产物全合成、糖肽大分子抗肿瘤疫苗，到电池界面高分子保护膜、宽温电池，到3D打印功能高分子，再到现在的AI辅助能源有机和高分子材料设计。尽管每一次“跨界”都要经历一次转型和新知识的快速吸纳，但也正是不同学科融合的视角，使他得以跳出思维惯性，用更多元的维度寻求解题思路。

现如今，彭慧胜/高悦的团队，也聚集了一批认同这一理念的学生。他们的学科背景不尽相同，包括有机化学、电化学、材料、生物、机械工程等不同领域，但有着同样活跃的思维，和敢于打破既定思维框架的勇气。

彭慧胜/高悦团队。图片均由受访者提供

  ?

有趣且有用的研究

给电池“打一针”，一方面是基础研究的突破，团队打破了电池基础设计原则中锂离子依赖共生于正极材料的理论，将电池活性载流子和电极材料解耦，另一方面也极具应用潜力。

“我们正在开展锂离子载体分子的大规模制备，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。”高悦介绍。

主要包括3个应用场景，首先是作为现有生产工艺的辅助，增加电池出厂时的容量；其次是延长电池的使用寿命，使得电池在相当长的时间里都保持接近出厂时的“机能”；最重要的则是电池修复，改变现在“一刀切”回收再利用的方式，解决废旧电池的回收难题。

而在大力发展清洁能源的今天，解决电池修复问题有着更多的战略意义。如太阳能、风能等清洁能源依赖于自然条件，波动性较大，无法与用电负荷完全匹配，需要储能系统发挥好“电网充电宝”的作用——在电网电力供应充足时，将不稳定的电力储存起来，电力不足时再向电网输送电能。

目前建设的新型储能项目中，80%以上都是锂离子电池，但由于循环寿命短、性能衰减、安全性等问题，距离实际应用仍有一段距离。此外，大型储能电站的容量往往高达兆瓦时级别甚至更大，所使用的电池体积动辄几十立方米，更换成本之高不言而喻。

“据估计，要建大型的储能电站，电池的深度充放电循环次数超过15000才能回本。我们的电池目前已经‘打了’6针，循环次数达12000，仍表现出96%的健康状态。”高悦期待这项研究的突破，能够帮助解决储能问题，推动我国的清洁能源转型。

但对于他和团队来说，这项研究不过是实验室系列布局的起点。细数以往的研究内容，设计“保鲜膜”稳定电池界面、利用3D打印技术让电池谦虚不膨胀、为机器狗调配“能量奶茶”……看来都颇为有趣，而它们无一不是立足于实际问题。他们正在开展“分子-机制-材料-器件”的全链条研究工作，以期通过基础研究的突破，解决更多能源领域的痛点和难点。

“这项工作只是针对的正负极完好的电池，我们也在开展系列电池修复相关的研究，比如针对电动车起火问题，未来是否可以对电池做定期‘体检’和‘保养’，预防电池性能衰退和出现异常。”高悦说道，“我们也在探索更绿色的电池材料，希望开发一款纯有机的、以生物质为原料的电池。”

“当然，我们团队的力量非常有限，非常欢迎更多学术界和产业界的同仁加入进来，一起推动产业化落地，服务于国家的能源战略。”高悦强调。

相关论文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-024-08465-y