清華團(tuán)隊(duì)用“分子積木”搭出高比能鋰硫電池
來源：中國網(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？
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)邁向長續(xù)航的
重要候選電池體系
清華大學(xué)深圳國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)展注入蓬勃動力
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)。現(xiàn)有常規(guī)動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)用對動力電池高比能、長續(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)用場景中卻面臨一個難題：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。”論文共同第一作者、深圳國際研究生院2023級博士生高潤華介紹道：“‘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’，而是要讓整個硫轉(zhuǎn)化路線更加有序、高效?！?/p>
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)場喚醒”
針對上述挑戰(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)場后，分子才會被多硫化物原位“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。
“一個功能分子的構(gòu)筑過程，就像搭積木。”高潤華說道。“分子骨架就像積木拼搭的基礎(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位置，都會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，但效率相對較低，也不容易從中總結(jié)出普遍規(guī)律。”團(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)動的可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對預(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存相比常規(guī)動力鋰離子電池更多的電能。
對于高端無人機(jī)、電動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)級航拍、物流配送、長距離電力巡檢等領(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)深圳國際研究生院2023級博士生高潤華、2023級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)生張夢天、2025屆碩士畢業(yè)生勞洲界和宋彥澤、2024級博士生宋林軒，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。
責(zé)任編輯：江蓬新
