清華團(tuán)隊(duì)用“分子積木”搭出高比能鋰硫電池
來源：中國(guó)網(wǎng) 時(shí)間：2026-05-08 10:12
無人機(jī)如何飛得更遠(yuǎn)？
續(xù)航時(shí)間能有多長(zhǎng)？
答案就在電池的能量密度里
當(dāng)常規(guī)鋰離子電池逐漸逼近能量密度上限
理論能量密度更高的鋰硫電池
正成為無人機(jī)邁向長(zhǎng)續(xù)航的
重要候選電池體系
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授周光敏團(tuán)隊(duì)
打破傳統(tǒng)模式
借助量子化學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)
像“搭積木”一樣設(shè)計(jì)功能分子
從196種分子組合中
篩選出一種可被“喚醒”的
硫電化學(xué)“預(yù)分子介體”
使其在電池反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化為活性分子
重塑復(fù)雜硫轉(zhuǎn)化路徑
極大提升鋰硫電池的能量密度
有望顯著延長(zhǎng)無人機(jī)續(xù)航時(shí)間
為低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入蓬勃?jiǎng)恿?/p>
2026年5月6日，相關(guān)成果以
“硫電化學(xué)預(yù)分子介體的分子骨架編程”（Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry）為題
在線發(fā)表于《自然》（Nature）
Nature網(wǎng)站論文截圖
直面“續(xù)航焦慮”長(zhǎng)期瓶頸：
鋰硫電池，為何備受關(guān)注？
無人機(jī)的飛行距離和續(xù)航時(shí)間取決于所搭載電池的能量密度。同樣重量下，電池能量密度越高，所攜帶的電量就越多，無人機(jī)就能飛得越遠(yuǎn)?，F(xiàn)有常規(guī)動(dòng)力鋰離子電池的能量密度大多低于300 Wh/kg，已經(jīng)逐漸接近材料體系本身的極限。因此，面向電動(dòng)垂直起降飛行器、高端無人機(jī)等新興低空經(jīng)濟(jì)應(yīng)用對(duì)動(dòng)力電池高比能、長(zhǎng)續(xù)航的迫切需求，開發(fā)下一代高比能電池成為產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵路徑。
鋰硫電池具有非常高的理論能量密度，同時(shí)由于硫元素儲(chǔ)量豐富、成本低廉，被認(rèn)為是有希望支撐未來高比能應(yīng)用的重要電池體系。然而，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中卻面臨一個(gè)難題：硫在充放電過程中不是“一步到位”，而是一條“充滿許多中轉(zhuǎn)站的行車運(yùn)輸路線”——需要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的中間反應(yīng)，生成溶解于電解液的多硫化物和最終產(chǎn)物固體硫化鋰。
“如果中間‘站點(diǎn)’管理不好，有些‘貨物’就會(huì)跑到不該去的地方，也就是多硫化物穿梭；而有些路段又很‘擁堵’，反應(yīng)速度很慢?！闭撐墓餐谝蛔髡摺⑸钲趪?guó)際研究生院2023級(jí)博士生高潤(rùn)華介紹道：“‘中轉(zhuǎn)路線’越復(fù)雜，就越容易出現(xiàn)中間產(chǎn)物‘跑偏’‘反應(yīng)堵車’‘能量損失’等現(xiàn)實(shí)問題。因此，鋰硫電池穩(wěn)定循環(huán)的難點(diǎn)不只是‘把硫留住’，而是要讓整個(gè)硫轉(zhuǎn)化路線更加有序、高效。”
首次提出硫電化學(xué)“預(yù)分子介體”：
“沉睡待命”的活性分子被“現(xiàn)場(chǎng)喚醒”
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，周光敏團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)性地提出硫電化學(xué)“預(yù)分子介體”概念，建立了一套“量子化學(xué)+機(jī)器學(xué)習(xí)”驅(qū)動(dòng)的智能分子骨架編程方案，成功從196種候選分子中篩選出高性能預(yù)分子介體——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。
團(tuán)隊(duì)研究的核心在于，不只是“堵住”那些跑偏的中間產(chǎn)物，而是實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)攔截”轉(zhuǎn)變?yōu)閺姆肿訉用嬷匦陆M織和調(diào)控硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。這便是團(tuán)隊(duì)提出的硫電化學(xué)“預(yù)分子介體”概念的由來——使分子最初在電解液中處于“沉睡”狀態(tài)，只有進(jìn)入硫反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)后，分子才會(huì)被多硫化物原位“喚醒”，從而轉(zhuǎn)化為真正發(fā)揮作用的活性介體。
隨后，活性介體通過動(dòng)態(tài)分子間配位作用與多硫化物絡(luò)合形成低溶解度團(tuán)簇，既能為防止多硫化物擴(kuò)散“筑壩修堤”，將多硫化物限域在正極附近，又能激活快速電荷轉(zhuǎn)移通道，改變經(jīng)典硫轉(zhuǎn)化路徑，為電化學(xué)反應(yīng)修建“高速公路”。
量子化學(xué)+機(jī)器學(xué)習(xí)
“分子積木”助力功能分子智能設(shè)計(jì)
雖然有了這一高效介導(dǎo)機(jī)制，但很快團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了新的問題：如何進(jìn)一步提升預(yù)分子介體的性能？
由此，團(tuán)隊(duì)將目光投向了2-氯嘧啶的分子骨架，并開發(fā)了“量子化學(xué)+機(jī)器學(xué)習(xí)”智能分子骨架編程方法。
“一個(gè)功能分子的構(gòu)筑過程，就像搭積木?！备邼?rùn)華說道?！胺肿庸羌芫拖穹e木拼搭的基礎(chǔ)底板，而側(cè)鏈官能團(tuán)作為功能分子的組成部分，就像一塊塊‘積木’。不同積木的種類、大小，以及放在底板上的哪個(gè)位置，都會(huì)影響最終拼搭出的分子具有什么功能?！眻F(tuán)隊(duì)構(gòu)建了196種候選分子作為“積木搭建方案”，通過量子化學(xué)計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)篩選，最終找到了性能優(yōu)異的預(yù)分子介體，賦予了鋰硫電池優(yōu)越的電化學(xué)性能。
團(tuán)隊(duì)表示，傳統(tǒng)的功能分子設(shè)計(jì)類似于憑經(jīng)驗(yàn)試著搭積木?！皯{借經(jīng)驗(yàn)把積木換一下、位置改一下的方式，雖然也能找到一些有效分子，但效率相對(duì)較低，也不容易從中總結(jié)出普遍規(guī)律?！眻F(tuán)隊(duì)致力于先理解每一塊“積木”的本征特性，研究它們組合起來以后會(huì)如何影響分子的反應(yīng)行為，最終為搭建目標(biāo)功能分子“畫出圖紙”，即形成“積木搭建指南”。在這一過程中，量子化學(xué)計(jì)算起到了重要作用，為研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了每塊“積木”的物理化學(xué)性質(zhì)。接著，團(tuán)隊(duì)還通過機(jī)器學(xué)習(xí)從大量搭建方案中總結(jié)規(guī)律，掌握“積木搭建”的最佳方案。
團(tuán)隊(duì)結(jié)合理論計(jì)算和人工智能驅(qū)動(dòng)的可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)預(yù)分子介體的元素組成和幾何構(gòu)型進(jìn)行了定向優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終篩選出的4-三氟甲基-2-氯嘧啶，可使電池的電荷轉(zhuǎn)移阻抗相比使用常規(guī)電解液的鋰硫電池下降75%，從而顯著加速硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，基于該預(yù)分子介體的鋰硫電池可在1C快充倍率下穩(wěn)定循環(huán)800圈，容量保持率達(dá)81.7%。
在面向?qū)嶋H應(yīng)用的軟包器件驗(yàn)證中，團(tuán)隊(duì)還在高硫載（28 mg/cm2）和貧電解液（3.4 mL/g）的嚴(yán)苛條件下，構(gòu)筑了總?cè)萘?4.2 Ah的鋰硫軟包器件，其能量密度可達(dá)549 Wh/kg——這意味著，單位重量的該電池能夠儲(chǔ)存相比常規(guī)動(dòng)力鋰離子電池更多的電能。
對(duì)于高端無人機(jī)、電動(dòng)垂直起降飛行器等低空裝備來說，電池能量密度越高，就越有可能在有限重量下實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)續(xù)航、更大任務(wù)半徑和更強(qiáng)載荷能力。若將該電池應(yīng)用于無人機(jī)等低空飛行器，將有望大幅提升其單次續(xù)航時(shí)間和里程，從而為無人機(jī)在消費(fèi)級(jí)航拍、物流配送、長(zhǎng)距離電力巡檢等領(lǐng)域的應(yīng)用釋放更多潛力。
未來，團(tuán)隊(duì)希望將這套“積木搭建指南”拓展至有機(jī)液流電池正負(fù)極活性材料設(shè)計(jì)、鋰金屬電池溶劑分子設(shè)計(jì)、電池直接回收中的有機(jī)補(bǔ)鋰劑設(shè)計(jì)等前沿領(lǐng)域，進(jìn)一步助力產(chǎn)業(yè)生態(tài)向智能化轉(zhuǎn)型，為推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生高潤(rùn)華、2023級(jí)碩士生祝伊飛為論文共同第一作者，周光敏為論文通訊作者。論文共同作者還包括深圳國(guó)際研究生院2025屆博士畢業(yè)生陶晟宇、2024屆博士畢業(yè)生韓志遠(yuǎn)、2024屆碩士畢業(yè)生張夢(mèng)天、2025屆碩士畢業(yè)生勞洲界和宋彥澤、2024級(jí)博士生宋林軒，以及博士后李宏泰、助理研究員朱雁飛等。研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的支持。
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