这篇文档属于类型a，是一篇关于锂离子电池外部锂供应策略的原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

一、研究团队与发表信息

本研究由Shu Chen、Guanbin Wu、Haibo Jiang等来自复旦大学高分子科学系（State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers）、南开大学化学学院（Nankai University）、深圳大学材料学院（Shenzhen University）等多个机构的团队合作完成，通讯作者为Huisheng Peng和Yue Gao。研究成果于2025年2月20日发表在《Nature》期刊（Volume 638），标题为《External Li supply reshapes Li deficiency and lifetime limit of batteries》。

二、学术背景

研究领域与动机

本研究属于电化学储能与锂离子电池材料领域。传统锂离子电池依赖电极材料（如Li-Ni-Mn-Co氧化物或LiFePO₄）内部预存的锂离子作为能量载体，但锂损耗会导致电池容量衰减和寿命终结。此外，锂缺陷材料（如过渡金属卤化物、有机硫化物等）因无法提供足够的活性锂离子而被排除在电池设计之外。

研究目标

团队提出一种非侵入式的外部锂供应策略，通过向已组装的电池中添加有机锂盐（如LiSO₂CF₃），在充电过程中分解盐分子释放锂离子，同时将有机配体以气体形式排出。该方法旨在突破传统电池对锂离子来源的限制，延长电池寿命并拓展锂缺陷材料的应用。

三、研究流程与方法

1. 有机锂盐的机器学习筛选

• 研究对象：从文献和专利中筛选20种氧化还原活性中心（redox-active centres）和12种有机配体（ligands），构建包含240种候选分子的数据库。
  
• 方法：
  
  • 通过无监督学习模型（unsupervised learning）结合密度泛函理论（DFT）计算，预测分子的分解电位、溶解度等关键参数。
    
  • 采用分层聚类算法（hierarchical clustering）筛选出最优分子LiSO₂CF₃（三氟甲亚磺酸锂），其具有低分解电位（3.8 V）、高电解质溶解度（4.0 wt% in carbonate）和191.5 mAh g⁻¹的理论比容量。
    
• 验证实验：通过循环伏安法（CV）和恒流充放电测试验证LiSO₂CF₃的电化学活性，确认其不可逆分解特性（无阴极峰）。
  

2. 外部锂供应的电池级验证

• 研究体系：
  
  • 无阳极电池：以铬氧化物（Cr₈O₂₁）为正极，能量密度达1,192 Wh kg⁻¹（基于正极质量）。
    
  • 有机硫化物电池：以硫化聚丙烯腈（sulfurized polyacrylonitrile）为正极，组装388 Wh kg⁻¹的软包电池。
    
• 关键步骤：
  
  • 将LiSO₂CF₃溶解于电解液中，注入已组装的电池。
    
  • 充电时，LiSO₂CF₃在阳极氧化分解，释放Li⁺并生成SO₂和C₂F₆/CHF₃气体（通过差分电化学质谱DEMS和原位拉曼光谱验证）。
    
  • 气体通过标准电池化成（cell formation）过程排出，避免残留物影响性能。
    

3. 商业电池寿命延长实验

• 研究对象：1.0 Ah的商用石墨|LiFePO₄电池。
  
• 方法：在电池容量衰减至85%时注入LiSO₂CF₃电解液，通过多次锂供应实现容量恢复。
  
• 结果：电池在11,818次循环后容量保持率达96.0%，寿命延长至少一个数量级。
  

四、主要结果与逻辑链条

1. LiSO₂CF₃的优化特性：

   • 分解电位（3.8 V）与电池充电窗口（2.8–4.3 V）匹配，确保完全分解。
     
   • 电解质中溶解度达12.5 wt%（醚类电解液），支持高锂离子供应量。
     

2. 无残留的锂供应机制：

   • 通过XPS和TEM证实，锂供应后正极-电解质界面（CEI）的组成和纳米结构未受破坏。
     
   • 对比传统预锂化方法（如Li₂C₄O₄），LiSO₂CF₃避免了电极孔隙和残留问题。
     

3. 高能量密度电池验证：

   • Cr₈O₂₁正极电池的放电电压达3.0 V，循环稳定性与含锂正极相当。
     
   • 有机硫化物软包电池在440次循环后容量保持率80.1%，优于传统锂离子电池（200 Wh kg⁻¹）。
     

4. 商业电池寿命突破：

   • 外部锂供应将石墨|LiFePO₄电池的容量衰减率从10%/1,000次循环降至0.34%/1,000次循环。
     

五、研究结论与价值

科学价值

• 提出“电池级锂供应”新范式，将锂离子从电极材料的限制中解放，成为可独立调控的电池组分。
  
• 为锂缺陷材料（如过渡金属氧化物、有机硫化物）的应用开辟道路，推动高能量密度电池设计。
  

应用价值

• 电网储能：通过管道系统向退役电池注入LiSO₂CF₃电解液，可将电池组寿命延长至10,000次循环以上，成本仅0.9美元/kWh（重建新电池组需132美元/kWh）。
  
• 新兴技术：适用于纤维电池（fibre batteries）、无负极空气电池等新型储能器件。
  

六、研究亮点

1. 方法创新：首次将机器学习与有机电化学结合，高效筛选功能性锂盐。
   
2. 技术突破：非破坏性锂供应工艺兼容现有电池生产线，无需拆解电池。
   
3. 性能记录：Cr₈O₂₁正极能量密度（1,192 Wh kg⁻¹）和石墨|LiFePO₄电池循环次数（11,818次）均创领域新高。
   

七、其他重要内容

• 扩展应用：该策略可推广至钠、钾、锌等金属离子电池（通过替换金属盐）。
  
• 可持续性：分解产物C₂F₆和CHF₃可作为工业原料回收，进一步提升经济性。
  

（全文约2,200字）