锂电池已经改变人们的生活方式，但仍不能完全满足当前和未来的需求。比如，电动车电池只能保证6-8年/1000-1500次充放电的高性能寿命；低温使用会加速电池变坏；储能电站和极端环境储能场景需要电池寿命提升一个数量级；即将到来的大规模电池退役回收，可能造成环境的污染和资源的浪费。
直面这些紧迫需求与技术短板，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程全国重点实验室、纤维材料与器件研究院、高分子科学智能中心彭慧胜/高悦团队，积极通过基础研究创新来提供解决方案。2月13日，相关研究成果以《外部供锂技术突破电池的缺锂困境和寿命界限》为题在《自然》（Nature）主刊上发表。
团队提出了打破电池基础设计原则中锂离子依赖共生于正极材料的理论，通过AI和有机电化学的结合，创新设计出锂载体分子，将电池活性载流子和电极材料解耦。这种载体分子可以通过“打一针”的方式注入废旧衰减的电池中，精准补充电池中损失的锂离子，实现容量的回复。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，循环寿命从目前的500-2000圈提升到超过12000-60000圈。此外，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。
电池中的活性锂离子由正极材料提供，锂离子损失消耗到一定程度后电池报废，是锂离子电池自1990年问世以来一直遵循的基本原则。彭慧胜/高悦团队深入分析电池基本原理，并进行了大量实验验证，发现电池衰减和人生病一样，是某个核心组件发生了异常，其他部分仍旧保持完好。“那为什么不像治病一样，开发变革性功能材料，对电池也进行精准、原位无损的锂离子补充，从而大幅延长它的寿命和服役时间，而不是判定‘死亡’、报废回收？”团队大胆设想：设计锂载体分子，将其注射进电池，对电池中的锂离子进行单独管控。
实现这一设想，需要分子具备严格且复杂的物理化学性质，无法依靠传统的理论和经验进行设计。团队利用AI结合化学信息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，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（CF3SO2Li）。团队验证发现，该合成分子具备各种严苛的性能要求，成本低易合成，具有良好兼容性，并成功在软包、圆柱、方壳和纤维状锂离子电池器件上实现应用。
探索具有变革性的基础研究来解决实际问题，开展“分子-机制-材料-器件”的全链条工作，是该团队始终坚定的目标。目前，团队正在开展锂离子载体分子的宏量制备，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。
【责任编辑：齐琪 编辑：郭艳丽】
