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鋰離子電池徹底改變了現代生活，為從便攜式電子產品到電動汽車的各種設備提供動力，在減少全球二氧化碳排放方面取得了顯著進展。隨著電氣化需求的不斷升級，特別是在高性能應用領域和大規模電網存儲領域，需要在這些電池的能量密度、壽命和材料可用性方面取得關鍵進展。1、 傳統鋰離子電池存在鋰離子供應不足及活性鋰離子損耗問題在傳統鋰離子電池中，陰極材料在初始狀態下不含鋰離子，需要從外部引入鋰離子，一些缺乏鋰的正極材料的發現和應用受到阻礙。此外，電池工作過程中，活性鋰離子會通過循環副反應逐漸損失，限制了充放電循環次數。現有的預鋰化策略主要涉及鋰化合物在陰極內的整合，但這些材料可能反應性很強，難以安全處理。預鋰化過程中可能出現不完全分解和有害殘留，這些殘留物可能會影響電極的結構完整性，進而影響電池性能。因此，需要一種打破電極依賴鋰供應原理的方法，以釋放電池在材料發現和壽命限制方面的全部潛力。 有鑒于此，復旦大學彭慧勝、高悅等人提出了電池級鋰供應策略，從外部將有機鋰鹽添加到組裝電池中，該有機鋰鹽在電池形成過程中分解，釋放鋰離子并以氣體形式排出有機配體。這種非侵入性快速過程可保持電池完整性，而無需拆卸。作者利用機器學習來發現此類功能鹽，并確定了具有最佳電化學活性、電位、產品形成、電解質溶解度和比容量的三氟甲烷亞磺酸鋰 (LiSO2CF3)。作為概念驗證，在無陽極電池中展示了 3.0?V、1,192?Wh?kg-1 無鋰陰極氧化鉻，以及在 388?Wh?kg-1 軟包電池中加入有機硫化聚丙烯腈陰極，循環壽命為 440 次。與傳統鋰離子電池相比，這些系統表現出更高的能量密度、更強的可持續性和更低的成本。此外，商用 LiFePO4電池的使用壽命至少延長了一個數量級。在反復外部鋰供應的情況下，商用石墨|LiFePO4 電池在 11,818 次循環后顯示容量保持率為 96.0%。 1、通過機器學習與有機電化學結合發現了外供鋰用有機鹽作者通過機器學習與有機電化學結合，從240種有機鹽中篩選出LiSO?CF?，該鹽展現出良好的應用前景。2、證實了篩選出的有機鋰鹽是一種無殘留，非破壞性外鋰源作者通過多種手段證實了LiSO?CF?在電池中的完全轉化，表明外部鋰供應對電池內部成分和陰極-電解質界面層組成無顯著影響。作者通過外部鋰供應方法，使用LiSO?CF?電解液為缺鋰材料提供鋰離子，實現了定制化鋰離子數量，表明LiSO?CF?的溶解度和兼容性良好，適用于多種缺鋰材料和電解質體系。作者通過外部鋰供應技術，成功延長了商用石墨|LiFePO?電池的使用壽命。該技術成本低、可持續性強，可應用于多種電池體系，包括電網儲能、纖維電池和薄膜電池等。 作者開發了一種外部鋰供應方法，通過有機鋰鹽LiSO?CF?在電池充電過程中釋放活性鋰離子，從而為先天缺乏鋰離子的電池提供鋰離子，并在循環后恢復傳統鋰離子電池的活力。2、基于機器學習與有機電化學相結合提高了理想有機鋰鹽的篩選利用機器學習技術，能夠快速篩選出具有理想氧化還原活性、分解電位、產物生成、電解質溶解度和比容量的有機鋰鹽，提高了研發效率，所發現的有機鋰鹽LiSO?CF?在實際應用中表現出優異的性能。為實現外鋰供應，作者通過機器學習與有機電化學結合，從240種有機鹽分子中篩選出滿足多方面要求的LiSO?CF?。該鹽在2.8-4.3 V電壓范圍內發生不可逆的單電子反應，生成的氣體可排出，保持電池內部純度。其在碳酸鹽電解質中溶解度約4.0%，在醚基和砜基電解質中溶解度達12.5 wt%，且具有空氣穩定性。LiSO?CF?在室溫下60 mA g?1電流密度下充電電壓平臺約3.8 V，比容量達189.6 mAh g?1，接近理論值。其在45°C、191 mA g?1高電流密度下仍能穩定工作，展現出良好的應用前景。 圖 有機鋰鹽的發現涉及到機器學習和有機電化學的結合作者通過差分電化學質譜（DEMS）和原位拉曼光譜技術證實了LiSO?CF?在電池中的完全轉化，其分解產生的SO?和CHF?氣體從電池中排出。核磁共振（NMR）和X射線光電子能譜（XPS）進一步表明，外部鋰供應對電池內部成分和陰極-電解質界面層（CEI）組成無顯著影響。透射電子顯微鏡（TEM）成像顯示，鋰供應后陰極納米結構保持不變。此外，LiSO?CF?的高純度（99.99%）和高熱穩定性使其在電池中無用量限制，且與電池電極化學相容，避免了傳統預鋰化技術中殘留物和雜質的問題。作者評估了多種缺鋰材料在無陽極袋狀電池中的性能，通過外部鋰供應實現了定制化的鋰離子數量。使用金屬氧化物陰極Cr?O??，電池展現出3.0 V的初始放電電壓和1192 Wh kg?1的能量密度，優于傳統含鋰陰極。此外，硫化聚丙烯腈陰極的袋狀電池通過卷對卷工藝制造，實現了388 Wh kg?1的能量密度，440次循環后容量保持率為80.1%，且結構完整性良好。外部鋰供應方法通過將LiSO?CF?電解液填充到干電池中，預密封后充電至4.0 V并脫氣，最終密封進行性能評估。研究還發現，LiSO?CF?的溶解度和兼容性良好，適用于多種缺鋰材料和電解質體系。圖 在能量密度、可持續性和成本方面取得進展的外部鋰供應作者通過外部鋰供應技術，成功延長了商用石墨|LiFePO?電池的使用壽命。在容量降至85%的電池中注入LiSO?CF?后，電池在第1824次循環時容量恢復至初始值的99.6%，并在11818次循環后容量保持率為96.0%。此外，該技術還被應用于15 Ah的圓柱形LiFePO?電池，通過改造電池結構并注入LiSO?CF?電解液，電池容量得以恢復且結構未受損。該方法成本效益高，可持續性強，有望應用于電網儲能、纖維電池、薄膜電池和無陽極空氣電池等領域。此外，通過用其他金屬原子代替Li原子，該技術還可擴展到鈉、鉀、鋅和鎂等其他金屬離子電池系統。 圖 石墨|LiFePO4電池的再生及其在電網儲能中的潛在應用總之，本工作提出了一種創新的外部鋰供應策略，通過向電池中添加有機鋰鹽LiSO?CF?，在電池充電過程中釋放鋰離子并排出氣體，從而補充鋰離子。該策略不僅提高了無陽極電池的能量密度和循環穩定性，還顯著延長了商用LiFePO?電池的使用壽命。這一技術為解決鋰離子電池的缺鋰問題和壽命極限提供了新的思路，有望在電網儲能、柔性電子設備等領域廣泛應用。 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
