研究示意图。复旦大学供图

■本报见习记者 江庆龄

凭借高能量密度、轻便性以及快速充电等优势，锂离子电池自上世纪90年代诞生起，便迅速成为能源领域的“宠儿”，深刻改变了人们的生活。

但是，目前电动车仍存在使用一段时间后需要频繁充电、低温下突然“消极怠工”等问题，说明锂离子电池仍有极大提升空间。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增加。

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条新的解决途径。2月13日，相关研究成果发表于《自然》。

给电池“送锂”

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解质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。

但在往返正负极的旅途中，锂离子难免会遇上意外，即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。因此，当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，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？由此，我们就想看看电池的‘病症’在哪里，再对症治疗。”高悦告诉《中国科学报》。

2020年12月加入复旦大学后，高悦就开始回答这个问题。他和团队发现，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，是否就能恢复活力呢？

顺着这个思路，他们尝试了多种方法，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。

研究人员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”。

论文第一作者、复旦大学高分子科学系博士生陈舒拿着一个圆柱锂离子电池向《中国科学报》记者演示操作过程：电池的正负极分别连着一根细细的白色导管，把锂载体分子和电解液一起从一侧导管注入后，再充一次电，使分子在电池内发生反应而分解，最终锂离子留在电池中，其他元素则以气体形式顺着另一端导管离开。

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

经过两年多的验证，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12000~60000圈。值得一提的是，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。

用头脑风暴寻找“理想分子”

这项工作的一大难点是找到合适的锂载体分子。

正如虽然药物中最终起作用的只是某一两个化合物，但它们只有在制剂的帮助下，才能顺利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离子的形式被运送到电池内。考虑到不能给电池添加额外成分，后者首先被排除了。

“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。”陈舒解释说，“这就要求分子以化合物的形式加进去，并在电池内完全分解，同时反应过程必须是温和的。”

记者在实验室中见到了由团队设计并合成的这种特殊分子——三氟甲基亚磺酸锂。和绝大多数化合物一样，它呈白色粉末状，被装在常见的玻璃容器中。但找到这个“天选”分子，属实让团队师生“牺牲”了不少脑细胞。

这是一项没有先例可以参考的工作。研究人员虽然知道分子应该具备哪些特性，却无法锁定具体的分子。大胆假设、小心求证、不符合要求就重新假设……这样的循环反复发生。

“我们经常坐在一起开展头脑风暴，尽可能发散思维，讨论各种天马行空的想法，给电池‘打针’就是在这个过程中产生的想法。”高悦笑道，“我们的一大特点是交叉，大家有着不同的学科背景，能够在思维碰撞中萌发灵感。”

最初，他们用化学思维，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，他们尝试将AI引入研究中。团队结合AI进行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。它的各项化学和物理性质都符合预期，同时易合成且成本低。

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与正极材料依赖共生的理论，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。”高悦透露。

该技术主要有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，使电池在相当长的时间里保持接近出厂时的“机能”；最重要的是电池修复，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。

在大力发展清洁能源的今天，解决电池修复问题有着重大的战略意义。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。

目前建设的新型储能项目中，80%以上都使用锂离子电池，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路要走。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，要建大型储能电站，电池的深度充放电循环次数超过15000次才能回本。我们的电池目前已经‘打了6针’，循环次数达12000次，仍表现出96%的健康状态。”高悦说，希望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。

设计“保鲜膜”稳定电池界面、利用3D打印技术让电池不膨胀、为机器狗调配“能量奶茶”……研究团队以往的研究看起来都颇为有趣，无一不是立足于实际问题。目前，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。

“这项工作只针对正负极完好的电池，我们正在开展一系列与电池修复相关的研究，比如针对电动车起火问题，我们在尝试通过给电池做定期‘体检’和‘保养’，防止电池性能衰退和出现异常。”高悦说，“我们也在探索更绿色的电池材料，希望开发一款以生物质为原料的有机电池。”

相关论文信息：

http://doi.org/10.1038/s41586-024-08465-y