清华团队用“分子积木”搭出高比能锂硫电池

　　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，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，相关成果在线发表于《自然》。

　　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。其在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，才能把“货物”送到。

　　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’等问题。因此，锂硫电池稳定循环的难点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。该研究的核心，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“主动出击”——从分子层面重新组织和调控硫转化反应网络，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，才被多硫化物原位“唤醒”，从而转化为真正发挥作用的活性介体。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”。

　　有了初步成果，团队又提出了新的问题：如何进一步筛选出高性能预分子介体？

　　团队开发了“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。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。”高润华介绍，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——4-三氟甲基-2-氯嘧啶，赋予锂硫电池优越的电化学性能。

　　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。