鋰電池的困境：壽命之殤

在當今時代，鋰電池作為一種關(guān)鍵的儲能設(shè)備，廣泛應(yīng)用于從智能手機、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備，到電動汽車、電動自行車等交通工具，乃至電網(wǎng)能源儲存和工業(yè)應(yīng)用等各個領(lǐng)域 ，已然成為支撐現(xiàn)代社會運轉(zhuǎn)的能源命脈之一。在消費電子領(lǐng)域，我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C、平板電腦等設(shè)備，離開了鋰電池便無法實現(xiàn)便捷的移動使用；在交通領(lǐng)域，電動汽車的快速發(fā)展更是離不開鋰電池提供的動力支持，為實現(xiàn)綠色出行、減少碳排放做出了重要貢獻；在能源領(lǐng)域，鋰電池在電網(wǎng)儲能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，幫助平衡可再生能源供應(yīng)的波動性，提高能源利用效率。

然而，自 1990 年鋰電池商業(yè)化以來，始終受困于一個根本性的矛盾：正極材料中預(yù)存的鋰離子既是能量載體，也是壽命的 “沙漏”。隨著充放電次數(shù)的增加，鋰離子因副反應(yīng)持續(xù)損耗，即便電極材料完好無損，電池也會因 “鋰枯竭” 而失效。這一先天缺陷導(dǎo)致了一系列嚴峻的問題。就拿電動汽車來說，其電池平均服役年限僅 6 - 8 年，這意味著車主在使用幾年后就需要面臨更換電池的高額成本。對于電網(wǎng)儲能系統(tǒng)而言，同樣面臨著巨額的電池更換成本，這無疑給電力企業(yè)的運營帶來了沉重的負擔。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每年全球產(chǎn)生的 50 萬噸退役電池更是成為了不容忽視的環(huán)境隱患。這些退役電池如果處理不當，其中的重金屬、電解液等物質(zhì)一旦泄漏，將對土壤和水源造成長期的污染，嚴重危害生態(tài)環(huán)境和人類健康。此外，大量退役電池的產(chǎn)生也造成了資源的浪費，因為電池中蘊含的鋰、鈷、鎳等金屬都是寶貴的戰(zhàn)略資源。 與此同時，鋰電池原材料的供應(yīng)也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。2019 年諾貝爾化學獎得主斯坦利?惠廷厄姆教授曾指出，鋰離子電池供應(yīng)可能在未來幾年內(nèi)面臨枯竭，人們需要找到一種新型的材料代替目前的鋰電池。全球大部分鋰礦產(chǎn)自南美洲，據(jù)估算，兩三年內(nèi)南美洲的鋰礦就會減產(chǎn)，鋰供應(yīng)鏈可能在 10 年內(nèi)遇到問題。電動車企業(yè)已經(jīng)切實感受到了這種原材料匱乏的危機，如特斯拉與贛鋒鋰業(yè)簽署供應(yīng)合同，以應(yīng)對鋰電池材料成本居高不下、鋰礦供應(yīng)吃緊導(dǎo)致的生產(chǎn)限制問題。

神奇 “返老還童” 針橫空出世

在鋰電池壽命問題久攻不下的困境中，復(fù)旦大學高分子科學系彭慧勝院士與高悅研究員團隊帶來了令人振奮的突破。2 月 13 日，他們在頂級學術(shù)期刊《自然》（Nature）發(fā)表了顛覆性成果，提出了 “外部鋰供應(yīng)” 技術(shù)。

這項技術(shù)的核心在于一種神奇的 “藥劑”—— 三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li） ，這是一種白色粉末狀化合物，由團隊通過 AI 驅(qū)動的高通量篩選，從 300 萬虛擬分子庫中精心鎖定。它就像是為鋰電池量身定制的 “返老還童” 針，具備著三大令人驚嘆的特性，為解決鋰電池的 “鋰枯竭” 難題提供了前所未有的方案。

三氟甲基亞磺酸鋰擁有精準分解的特性。在 2.8 - 4.3V 充電電壓窗口內(nèi)，它會發(fā)生不可逆氧化，釋放出鋰離子，隨后分解為 SO?、CHF?等氣體，這些氣體經(jīng)電池排氣系統(tǒng)排出，實現(xiàn)了 “零殘留”。這一特性使得它在補充鋰離子的過程中，不會對電池內(nèi)部造成額外的污染和損害，確保了電池的純凈和穩(wěn)定運行。

普適兼容也是它的一大亮點。它可溶于常規(guī)電解液，無論是石墨、硅碳負極，還是各類正極材料，都能與之完美適配。這意味著，無論鋰電池采用何種電極材料，都可以運用這項技術(shù)來延長壽命，大大拓寬了其應(yīng)用范圍。

這種化合物還具有工業(yè)友好的特性。在空氣中，它十分穩(wěn)定，不會輕易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，便于儲存和運輸。其合成成本低于傳統(tǒng)電解液添加劑，在電池總成本中占比不足 10%，這使得大規(guī)模應(yīng)用成為可能，不會給電池生產(chǎn)企業(yè)帶來過高的成本負擔。

有了關(guān)鍵材料之后，接下來的操作便是 “注射”。通過外部補液的方式，讓老化的鋰電池 “返老還童”。整個過程可以歸納為四步曲。首先是配液，將 CF3SO2Li 溶解于電解液，濃度可達 12.5%，形成一種特殊的 “營養(yǎng)液”；第二步是注入，通過預(yù)留導(dǎo)管將混合液注入未激活的 “干電池”，就像給病人打針一樣，將 “營養(yǎng)液” 輸送到電池內(nèi)部；第三步是活化，充電時鋰鹽在陽極分解，釋放鋰離子嵌入負極，讓電池重新煥發(fā)生機；最后一步是凈化，分解氣體經(jīng)封裝工藝排出，電池即可投入循環(huán)使用。整個過程無需拆解電池，現(xiàn)有產(chǎn)線僅需增加注液工序即可升級，產(chǎn)業(yè)化門檻極低。

背后的黑科技：原理與機制

在傳統(tǒng)的鋰電池設(shè)計理念中，鋰離子如同被禁錮在一個與正極材料共生的 “牢籠” 里，隨著充放電循環(huán)，它們不斷損耗，卻無法從外部得到有效補充 。這種傳統(tǒng)觀念如同一個無形的枷鎖，限制了鋰電池壽命的提升。而彭慧勝院士與高悅研究員團隊的 “外部鋰供應(yīng)” 技術(shù)，猶如一道曙光，打破了這一延續(xù)多年的設(shè)計原則。

該技術(shù)的核心在于打破了鋰離子依賴共生于正極材料的傳統(tǒng)理論。通過 AI 與有機電化學的巧妙結(jié)合，團隊創(chuàng)新性地設(shè)計出了鋰載體分子，將電池活性載流子和電極材料解耦，實現(xiàn)了鋰離子從外部精準補充的突破。這一理論突破，就像是為鋰電池開辟了一條全新的 “生命補給線”，讓電池在老化過程中能夠及時獲得鋰離子的補充，從而延長壽命。

三氟甲基亞磺酸鋰（CF3SO2Li）作為這一技術(shù)的關(guān)鍵材料，其獨特的分解機制是實現(xiàn)鋰離子精準補充的關(guān)鍵。在充電過程中，當電壓處于 2.8 - 4.3V 的窗口時，三氟甲基亞磺酸鋰會發(fā)生不可逆氧化反應(yīng)。在這個過程中，它就像一個 “智能鋰離子釋放器”，精準地釋放出鋰離子，這些鋰離子迅速嵌入負極，為電池補充能量。而在釋放鋰離子后，三氟甲基亞磺酸鋰會分解為 SO?、CHF?等氣體，這些氣體不會殘留在電池內(nèi)部，而是通過電池排氣系統(tǒng)順利排出，確保了電池內(nèi)部環(huán)境的純凈，不會對電池的后續(xù)性能產(chǎn)生負面影響。

這種精準分解特性與傳統(tǒng)的電解液添加劑有著本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)添加劑在電池充放電過程中，往往會發(fā)生復(fù)雜的副反應(yīng)，產(chǎn)生難以預(yù)測的中間產(chǎn)物，這些產(chǎn)物可能會在電池內(nèi)部積累，導(dǎo)致電池性能下降，甚至引發(fā)安全隱患。而三氟甲基亞磺酸鋰的 “零殘留” 特性，使得電池在補充鋰離子的過程中，能夠保持穩(wěn)定的性能和良好的安全性。

在實際應(yīng)用中，這種特性的優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)。以電動汽車電池為例，在使用 “外部鋰供應(yīng)” 技術(shù)后，電池在經(jīng)過長時間的充放電循環(huán)后，依然能夠保持較高的容量和穩(wěn)定的性能。這不僅減少了電池更換的頻率，降低了用戶的使用成本，還提高了電動汽車的使用便利性和可靠性。

產(chǎn)業(yè)變革與未來藍圖

彭慧勝院士與高悅研究員團隊所研發(fā)的 “外部鋰供應(yīng)” 技術(shù)，無疑是鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程中的一座重要里程碑，對整個產(chǎn)業(yè)的變革與未來走向產(chǎn)生了深遠而持久的影響。

從產(chǎn)業(yè)變革的角度來看，這一技術(shù)的突破有望帶來一系列重大變革。在成本降低方面，由于電池壽命的大幅延長，無論是電動汽車制造商還是電網(wǎng)儲能運營商，都無需頻繁更換電池，這將顯著降低其長期運營成本。以電動汽車為例，原本需要在幾年內(nèi)就更換電池的高昂費用，在采用這一技術(shù)后，有望大幅減少，使得電動汽車的使用成本更具競爭力，從而加速電動汽車的普及。

退役電池的數(shù)量也將大幅減少，這對環(huán)境保護來說是一個重大利好。每年全球產(chǎn)生的大量退役電池，其對環(huán)境的潛在威脅一直是懸在人們心頭的一把利劍。而通過延長電池壽命，減少電池更換頻率，能夠有效減少退役電池的產(chǎn)生，降低對土壤、水源等環(huán)境要素的污染風險。同時，這也意味著資源的浪費問題將得到緩解，鋰、鈷、鎳等稀有金屬的回收壓力也會相應(yīng)減輕。

該技術(shù)還有助于推動綠色材料的使用。由于電池材料必須含鋰的束縛規(guī)則被打破，使用綠色、不含重金屬的材料構(gòu)筑電池成為可能，這將進一步推動鋰電池產(chǎn)業(yè)朝著綠色、可持續(xù)的方向發(fā)展。

展望未來，這項技術(shù)一旦實現(xiàn)大規(guī)模商用，其前景將不可限量。在電動汽車領(lǐng)域，它將極大地提升電動汽車的性能和市場競爭力。更長的電池壽命意味著消費者無需再為電池老化而頻繁更換電池，這將增強消費者對電動汽車的信心，促進電動汽車市場的進一步擴大。對于電網(wǎng)儲能領(lǐng)域，穩(wěn)定可靠且壽命長的電池將為可再生能源的大規(guī)模接入提供更有力的支撐，助力能源結(jié)構(gòu)向清潔能源轉(zhuǎn)型。

在消費電子領(lǐng)域，如手機、筆記本電腦等設(shè)備，使用該技術(shù)的鋰電池將擁有更長的使用壽命，減少消費者更換設(shè)備的頻率，不僅降低了消費者的使用成本，還能減少電子垃圾的產(chǎn)生，對環(huán)境保護和資源節(jié)約具有重要意義。 從更宏觀的角度來看，這一技術(shù)的突破還可能帶動整個新能源產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，促進相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和升級，為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展注入強大動力。