复旦“90后”超帅青年博导高悦联手彭慧胜院士，最新Nature！
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复旦大学高悦研究员与彭慧胜院士团队在锂离子电池研究领域取得重大突破。他们开发了一种创新的外部锂供应策略，通过将有机锂盐三氟甲烷亚磺酸锂（LiSO2CF3）添加到电池中，在电池形成过程中释放锂离子并以气体形式排出有机配体，从而解决了锂缺乏问题并延长了电池寿命。该研究成果发表在最新一期《Nature》期刊上。
锂(Li)离子是可充电电池储能功能的核心。目前的技术依赖于复杂的含锂电极材料来提供锂离子并严格保护它们以确保良好的使用寿命。因此，缺锂材料被排除在电池设计之外，当活性锂离子被消耗时，电池就会失效。
鉴于此，复旦大学高悦研究员与彭慧胜院士通过电池级锂供应策略打破了这一限制。这涉及将有机锂盐外部添加到组装电池中，该锂盐在电池形成过程中分解，释放锂离子并以气体形式排出有机配体。这种非侵入性快速过程无需拆卸即可保持电池完整性。他们利用机器学习发现了这样的功能盐，并确定了具有最佳电化学活性、电位、产品形成、电解质溶解度和比容量的三氟甲烷亚磺酸锂(LiSO2CF3)。作为概念验证，他们在无阳极电池中展示了3.0 V、1,192 Wh kg-1无锂阴极氧化铬，以及在388 Wh kg-1软包电池中加入有机硫化聚丙烯腈阴极，循环寿命为440次。与传统锂离子电池相比，这些系统表现出更高的能量密度、更强的可持续性和更低的成本。此外，商用LiFePO4电池的使用寿命至少延长了一个数量级。在反复外部锂供应的情况下，商用石墨|LiFePO4电池在11818次循环后显示容量保持率为96.0%。相关研究成果以题为“External Li supply reshapes Li deficiency and lifetime limit of batteries”发表在最新一期《Nature》上。
高悦，青年研究员、博士生导师。2008-2012年本科毕业于兰州大学化学化工学院，2014-2018年博士毕业于美国宾夕法尼亚州立大学化学系。曾经获得包括：亚洲青年科学家奖学金（2023）、麻省理工学院技术评论35岁以下中国创新者（2022）、国家级青年人才（2021）、上海青年人才计划（2021）、宾夕法尼亚大学瓦杰洛斯研究所奖学金（2020）、美国能源部电池500联盟青年研究员（2019）、材料研究学会研究生奖，、银奖（2018）中国政府优秀自费留学生奖（2018）、宾夕法尼亚州立大学研究生奖（排名第一圣化学系）（2018）、本科生奖学金Lanzhou University(2018)等奖励。
彭慧胜，中国科学院院士，历任复旦大学高分子科学系副主任、主任兼党委副书记等职；现任复旦大学党委常委、统战部部长。
【外部锂供应方法】
图1说明了外部锂供应概念。首先将传统的锂离子电池与因缺少锂离子而失效的缺锂电池进行比较。作者引入了一种创新的外部锂(Li)供应策略，解决了电池设计中锂缺乏材料的局限性，并延长了锂离子电池的使用寿命。该方法涉及将有机锂盐三氟甲烷亚磺酸锂(LiSO2CF3)集成到组装的电池单元中。在充电过程中，这种盐分解，释放活性锂离子，而有机配体则以气体形式排出。这种非侵入性方法无需拆卸，确保电池完整性，并提供了一种可持续的方法来恢复废旧电池。图的最后一部分强调了这种方法如何在电池层面独立于电极材料运行，从而彻底改变了锂导向材料的发现并延长了电池寿命。
图1.一种外部锂供应方法，为先天性缺锂的电池提供锂离子并使循环的锂离子电池恢复活力。
【机器学习和有机电化学的结合】
本文研究的一个关键方面是确定一种适合外部锂供应的有机锂盐。研究团队概述了机器学习驱动的LiSO 2CF 3发现（图2）。他们利用机器学习筛选了240种潜在的锂盐，并根据电化学电位、溶解度、氧化还原活性和产物形成对其进行评估。该过程导致选择了LiSO 2CF 3，它表现出最佳的电化学性能、分解不可逆性以及与标准电池电解质的兼容性。图2工作流程涉及选择20个氧化还原活性中心和12个有机配体，从而形成240个分子结构。使用层次聚类技术来识别具有良好阳极电位和溶解度的分子。后续验证实验证实，LiSO2CF3在3.8V左右发生单电子氧化反应，比容量高（~189.6mAhg⁻¹），使其成为外部锂供应的理想候选者。
图2.有机锂盐的发现涉及机器学习和有机电化学的结合。
【电池级无残留、无损锂供应过程】
作者提供了支持锂供应过程无残留性质的实验证据（图3）。差分电化学质谱(DEMS)检测到SO 2和CHF 3气体的释放，证实了完全分解。拉曼和核磁共振(NMR)光谱进一步验证了电解质中不存在残留的LiSO 2CF 3。使用X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)进行的结构分析表明，补充锂后，阴极-电解质界面(CEI)和电极微结构保持完整，这与经常导致结构损坏和残留物积累的传统预锂化方法形成鲜明对比。
图3.电池级无残留、无损的锂供应过程。
【外部锂供应可改善先天性缺锂电池的能量密度、可持续性和成本】
外部锂供应方法使缺锂正极材料得以实际应用，显著提高了能量密度和可持续性。该研究展示了使用氧化铬(Cr8O21)和硫化聚丙烯腈正极的方法，分别实现了1192 Whkg⁻¹和388 Whkg⁻¹的高能量密度，并延长了循环寿命。图4详细说明了外部锂供应对电池性能的影响。第一部分显示了无阳极Cr 8O 21电池的电压曲线，显示稳定的放电电压为3.0V。循环性能数据表明使用寿命延长，且容量衰减不明显。对硫化聚丙烯腈软包电池进行的类似实验表明，经过440次循环后，容量保持率稳定在80.1%。描述了标准电池形成过程，包括电解质填充、充电、脱气和密封，展示了如何将外部锂供应无缝集成到制造中。
图4.为先天性缺锂的电池提供外部锂供应，以提高能量密度、可持续性和成本。
【潜在应用】
外部锂供应方法延长了商用锂离子电池的使用寿命。使用LiSO2CF3反复恢复石墨|LiFePO4袋式电池，在11,818次循环后仍保持了96.0%的容量保持率，比标准锂离子电池提高了一个数量级。这一突破对电网储能具有深远的影响，因为大型电池系统需要延长使用寿命才能保持成本效益和可持续性。作者展示了恢复石墨|LiFePO 4袋式电池的结果（图5）。循环性能数据显示，容量恢复多次，极化或阻抗没有明显增加。该图还展示了带有电解液注入系统的改进型圆柱形电池，展示了如何在不更换单个电池的情况下恢复大型电池组。成本分析表明，通过外部锂供应进行恢复的成本仅为每千瓦时0.9美元，而制造新电池组的成本为每千瓦时132美元。描述了电网规模电池存储中的预期应用，展示了如何通过将LiSO 2CF 3引入电解质来原位恢复互连电池。
图5.石墨|LiFePO4电池的再生及其在电网储能中的潜在应用。
【总结】
本文介绍了一种通过外部锂供应策略解决锂离子电池中锂缺乏和容量衰减的变革性方法。通过将LiSO 2CF 3纳入电解质，研究人员成功延长了电池寿命，实现了锂缺乏阴极材料的使用，并为储能应用提供了可持续且经济高效的解决方案。这些发现对便携式电子产品和大型电网存储都具有深远的影响，可能会重塑电池技术的未来。未来的研究可能侧重于优化LiSO 2CF 3的溶解度和可扩展性，以及探索其在其他金属离子电池系统（如钠、钾、锌和镁基化学）中的适用性。
本文原文来自Nature