清华团队用“分子积木”搭出高比能锂硫电池 助力低空经济发展

中青报·中青网记者 杨洁

无人机如何飞得更远？续航时间能有多长？答案就在电池的能量密度里。当常规锂离子电池逐渐逼近能量密度上限，理论能量密度更高的锂硫电池正成为无人机迈向长续航的重要候选电池体系。

清华大学深圳国际研究生院副教授周光敏团队打破传统模式，借助量子化学和机器学习，像“搭积木”一样设计功能分子，从196种分子组合中筛选出一种可被“唤醒”的硫电化学“预分子介体”，使其在电池反应现场转化为活性分子，重塑复杂硫转化路径，极大提升锂硫电池的能量密度，有望显著延长无人机续航时间，为低空经济的发展注入蓬勃动力。5月6日，相关成果以“硫电化学预分子介体的分子骨架编程”（Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry）为题在线发表于《自然》（Nature）。

锂硫电池具有非常高的理论能量密度，同时由于硫元素储量丰富、成本低廉，被认为是有希望支撑未来高比能应用的重要电池体系。然而，实际应用场景中却面临一个难题：硫在充放电过程中不是“一步到位”，而是一条“充满许多中转站的行车运输路线”——需要经历一系列复杂的中间反应，生成溶解于电解液的多硫化物和最终产物固体硫化锂。

硫电化学预分子介体的智能分子骨架编程助力高比能锂硫电池发展概念图。清华大学供图

“如果中间‘站点’管理不好，有些‘货物’就会跑到不该去的地方，也就是多硫化物穿梭；而有些路段又很‘拥堵’，反应速度很慢。”论文共同第一作者、深圳国际研究生院2023级博士生高润华介绍：“‘中转路线’越复杂，就越容易出现中间产物‘跑偏’‘反应堵车’‘能量损失’等现实问题。因此，锂硫电池稳定循环的难点不只是‘把硫留住’，而是要让整个硫转化路线更加有序、高效。”

针对上述挑战，周光敏团队原创性地提出硫电化学“预分子介体”概念，建立了一套“量子化学+机器学习”驱动的智能分子骨架编程方案，成功从196种候选分子中筛选出高性能预分子介体——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。

团队研究的核心在于，不只是“堵住”那些跑偏的中间产物，而是实现从“被动拦截”转变为从分子层面重新组织和调控硫转化反应网络。这便是团队提出的硫电化学“预分子介体”概念的由来——使分子最初在电解液中处于“沉睡”状态，只有进入硫反应现场后，分子才会被多硫化物原位“唤醒”，从而转化为真正发挥作用的活性介体。

随后，活性介体通过动态分子间配位作用与多硫化物络合形成低溶解度团簇，既能为防止多硫化物扩散“筑坝修堤”，将多硫化物限域在正极附近，又能激活快速电荷转移通道，改变经典硫转化路径，为电化学反应修建“高速公路”。

虽然有了这一高效介导机制，但很快团队又发现了新的问题：如何进一步提升预分子介体的性能？

由此，团队将目光投向了2-氯嘧啶的分子骨架，并开发了“量子化学+机器学习”智能分子骨架编程方法。

“一个功能分子的构筑过程，就像搭积木。”高润华说。“分子骨架就像积木拼搭的基础底板，而侧链官能团作为功能分子的组成部分，就像一块块‘积木’。不同积木的种类、大小，以及放在底板上的哪个位置，都会影响最终拼搭出的分子具有什么功能。”团队构建了196种候选分子作为“积木搭建方案”，通过量子化学计算和机器学习筛选，最终找到了性能优异的预分子介体，赋予了锂硫电池优越的电化学性能。

周光敏（左三）与课题组学生合影（左一为高润华、左二为祝伊飞）。清华大学供图

若将该电池应用于无人机等低空飞行器，将有望大幅提升其单次续航时间和里程，从而为无人机在消费级航拍、物流配送、长距离电力巡检等领域的应用释放更多潜力。未来，团队希望将这套“积木搭建指南”拓展至有机液流电池正负极活性材料设计、锂金属电池溶剂分子设计、电池直接回收中的有机补锂剂设计等前沿领域，进一步助力产业生态向智能化转型，为推动新能源产业高质量发展提供关键技术支撑。

来源：中国青年报客户端