電池技術的快速發展推動了新能源汽車、儲能系統等領域的廣泛應用。然而，電池壽命的問題不容忽視，大量廢舊電池的處理成為了一個亟待解決的問題。
具體來說，研究人員將 AI 與有機電化學結合，設計出一種全新的有機鋰載體分子——三氟甲基亞磺酸鋰（LiCF3SO2）。在電池組裝完成後，透過液體注入方式將 LiCF3SO2 引進電池。
值得關注的是，經過上萬次深度充放電測試後，電池容量仍保持在 96% 左右的水平，實現了鋰電池壽命提升 1 個數量級。
此外，該技術還成功解構了鋰電池對含鋰化合物的絕對依賴——採用無毒有機材料構建的新型電極體系，不僅規避了重金屬汙染風險，證明了無鋰電池技術的可能性。
圖丨研究團隊（來源：復旦大學）
近日，相關論文以《外部供鋰技術突破電池的缺鋰困境和壽命界限》（External Li supply reshapes Li deficiency and lifetime limit of batteries）為題發表在 Nature[1]。
圖丨相關論文（來源：Nature）
打破傳統限制，首次提出外部鋰供應策略
傳統上，電池的結構通常被描述為由正極、負極、電解液和隔膜組成，而鋰離子的存在往往被忽視，因為它一直依賴於正極材料。
在研究中該課題組發現，商用磷酸鐵鋰電池失效的核心原因在於鋰離子的損耗，而正極材料本身往往仍然完好。也就是說，如果能夠補充丟失的鋰離子，電池就極有可能恢復容量。
圖丨功能有機分子三氟甲基亞磺酸鋰（LiCF3SO2）為電池補充鋰離子（來源：復旦大學）
因此，他們提出了一個大膽的想法：是否可以透過外部載體分子單獨控制鋰源的補充，而不是依賴電極材料？於是，該團隊設計了一種鋰載體分子，將鋰離子從正極材料中分離出來，從而實現對鋰離子的單獨控制。
高悅表示，這種化學設計靈感來源於“搬運工”的概念，即透過特定的分子將鋰離子帶入電池內部，完成任務後再自行離開。這種全液體的補鋰方式不僅能夠實現高效補鋰，還能避免傳統補鋰方法中固體補鋰劑的分散性和安全性等問題。
就像人類生病時需要“打一針”，這一設計思路類似於醫學中的精準治療，透過對電池內部的“病症”進行診斷和修復，實現電池的“再生”。在不拆解電池的情況下，透過液體形式將鋰離子定向引入電池內部，並能夠避免引入其他可能影響電池安全性和效能的雜質。
該研究過程中最大的挑戰在於：從分子的設計、原理的構建、修復過程的實現，再到器件的改造，所有環節都是從“零”開始，並沒有現成的參考和經驗可以借鑑。研究人員只能一步一個腳印地摸索前行，這也是這項工作耗時四年多的主要原因。
研究人員用非監督機器學習技術快速篩選了 240 種可能用於鋰電池的材料。他們主要考察這些材料的四個關鍵指標：工作電壓、是否容易溶解、能否參與充放電反應以及化學穩定性。經過層層篩選，最終發現一種名為 LiCF3SO2 的材料表現最出色。
研究人員先組合 20 種核心元素和 12 種輔助材料，生成 240 種不同配方。透過智慧分類技術，先挑出電壓合適且容易溶解的候選材料。
進一步實驗驗證發現，這種優選材料 LiCF3SO2 有三個突出優點，使它成為製造高效能鋰電池的理想選擇：
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工作時電壓穩定在 3.8 伏左右；
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儲電能力強（每克能儲存近 190 毫安時的電量）；
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化學反應穩定不可逆，能與現有電池材料完美相容。
實際上，在研究過程中，他們嘗試了多種方法，包括從頭設計、傳統的“鳥槍法”以及基於分子的線性試錯等，最終該課題組將 AI 與有機化學、電化學、材料科學和工程學等多學科領域，用機器學習走通了新型分子篩選這條路。
AI 透過資料分析和結構特徵的數字化，快速篩選和生成具有特定功能的分子結構。與人類的線性試錯過程不同，AI 不受限於區域性最佳化的思維模式，可以同時探索多種可能性，並生成大量新穎的分子結構。
圖丨一種外部鋰供應方法，為先天性缺鋰電池提供鋰離子，並恢復迴圈鋰離子電池（來源：Nature）
研究過程中有兩個令人興奮的時刻。第一個是多學科交叉的頭腦風暴階段，當團隊提出“打一針”來修復電池的想法時，這種創新的思路不僅令人鼓舞，也成為了推動他們持續前進的核心動力。
第二個令人興奮的時刻是當該課題組成功驗證了分子機理的時刻。第一次找到合適的分子時，課題組成員都非常興奮，感覺技術即將取得突破。然而，隨著進一步驗證發現其中存在缺陷，研究人員很快調整思路並重新尋找。
“這個過程讓我們經歷了多次的興奮和失落，但也正是這種反覆試驗、不斷最佳化的過程，體現了科學研究的魅力和挑戰。”高悅表示。
在電池和儲能等領域具有商業化潛力
這項電池技術的突破有望對能源產業帶來多維度革新。在商業應用層面，該技術最直接的影響是顯著提升鋰電池容量和使用壽命。提升鋰電池 5% 到 10% 容量並延長使用壽命，將是一個巨大的進步。
這種技術還可以為使用者提供更好的體驗，比如在高品質手機、無人機或影片裝置中，鋰電池有望在兩年內不會出現明顯的“掉電”（電量衰減），讓使用者免受電池“越用越短”的困擾。
從更長遠來看，這項技術可能讓換電模式變得更加便捷，儲能系統的效能也將不斷提升。“該技術透過延長儲能電站服役週期，降低迭代頻次，有望為國家新能源基建提供底層保障。”高悅說。
目前，該團隊已經完成了電池組能為電動車提供電能的研究，儘管單個電池可能還不足夠，但電瓶技術已經研發完成。未來如果該技術被更多行業採用，將有助於減少電池更換頻率，從而降低迭代速度。
總結來說，該技術在降低製造過程中的資源浪費和環境汙染風險的同時，也能減少大規模儲能系統中電池更換的成本，從而顯著提升儲能體系的整體經濟效益。對於儲能領域而言，該技術能夠確保電池的迴圈壽命滿足長期儲能需求，有力地推動儲能系統的健康發展。
據課題組預估，該技術的成本為每千瓦時 0.9 美元，僅佔整體電池成本的 10% 以內，且隨著產線建設完善，實際成本可能還會進一步降低。如果延長了電池的使用壽命，那麼相當於降低了它的成本，從而在市場上更具競爭力。
目前，已有頭部電池企業對該技術表現出濃厚興趣。該課題組希望能夠與電池廠和原材料生產廠合作，共同推進這一技術快速向產業化應用。
圖丨再生石墨電池和無法更換或修復單個電池的潛在應用，可用於電網儲能（來源：Nature）
未來，該團隊計劃進一步利用該研究中的設計思路，解決大規模電池組的安全性和使用壽命等問題。為此，研究人員提出了兩個重點關注的方案。
首先，繼續基於 AI 驅動科研正規化的變革。未來全新的功能分子開發，將結合 AI 與傳統化學材料知識。這不僅能提升開發能力，還能透過 AI 的高效篩選和分析，加速分子設計的程序。
高悅表示，在以往的研究中，只能逐個嘗試分子，而藉助 AI 技術的強大工具，一次可以篩選上千個分子，大幅度提高了分子的開發速度，加速應對未來能源領域更廣闊的空間探索需求。
其次，透過開發更多新型分子，有望顛覆和改變現有電池的效能規律。無論是在能量密度（即電量）、使用壽命還是安全性方面，都將實現巨大的提升。這樣不僅能最佳化電池的效能，還能使其更加符合未來能源需求的邏輯和要求。
在本次研究中，研究人員還系統、全面性地探索了多種電池材料和體系，包括鋰電、鈉電以及固態電池等，並計劃在兩年內構建相對完整的電池體系。此外，研究人員將繼續逐步探索這些體系的潛力，並驗證其實際應用的可行性。
總體來說，該團隊瞄準效能規律的顛覆性突破，試圖透過新型分子設計同步提升能量密度、安全性和迴圈壽命，這將徹底改變現有電池技術路線圖。隨著產線規模化帶來的成本遞減，這項技術有望成為能源轉型的關鍵加速器。
參考資料：
1.Chen, S., Wu, G., Jiang, H. et al. External Li supply reshapes Li deficiency and lifetime limit of batteries. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08465-y
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