筛选196种分子组合，团队“拼”出高能锂硫电池

近年来，低空经济逐渐成为大众瞩目的焦点。无人机的发展离不开它，而无人机的飞行距离和续航能力，核心取决于电池能提供多少电量，也就是所谓的“能量密度”高低。

“目前，常规的锂离子电池能量密度已接近天花板，理论能量密度更高的锂硫电池，正成为无人机实现长续航的关键候选方案。”接受采访时，清华大学深圳国际研究生院副教授周光敏表示。

周光敏团队致力于在现有基础上，尽可能提高锂硫电池的能量密度。

近期，他们取得了重要突破——成功研发出一种新型硫电化学“预分子介体”。借助这种介体，能显著增强锂硫电池的能量密度，大幅延长无人机的续航时长。相关成果近期在线发表于《自然》。

有趣的是，这项成果是通过“搭积木”的方式“拼”出来的。

两个核心难题

锂离子电池与锂硫电池性能的差异，源于内部结构的不同。

“传统锂离子电池原理简单，靠锂离子在正负极间插嵌充放电。”论文共同第一作者、清华大学深圳国际研究生院博士生高润华介绍，商用锂离子电池正极多为锂氧化物或磷酸铁锂，充电时锂离子从正极跑出钻进石墨负极，放电时再从石墨回到正极。

锂硫电池原理则复杂得多：正极是单质硫，负极是锂金属。放电时，锂金属失电子变锂离子，正极单质硫被还原并与锂离子结合，生成多硫化锂中间体，最终变固态硫化锂。

多硫化锂中间体种类繁多，如由8个硫2个锂组成的Li2S8，或6个硫2个锂的Li2S6，以及Li2S4、Li2S2。这些化合物像不同长度的链条，硫原子越多链越长，不同链间会转化，最终生成Li2S。

锂硫电池的充放电，就在这些硫物种的可逆转化中完成。

“这带来了两个核心难题。”高润华说，一是长链多硫化锂（如Li2S8、Li2S6）易溶于电解液，导致活性物质流失，降低充放电可逆性。

二是反应网络复杂，经历固-液-固态变化——单质硫是固态，长链易溶，短链和终产物又变固态。这种转变慢，导致转化效率难提升。

“换句话说，提升锂硫电池能量密度的关键，在于让多硫化物转化更有序、更快，同时减少长链溶解流失。”周光敏说。

寻找最佳“催化剂”

研究中，周光敏团队提出在化学反应中加入一种特殊的“催化剂”——预分子介体。

“之所以叫‘预分子介体’，是因为它加入电解液时处于未激活的待命状态，激活密码是多硫化锂。”周光敏解释，其分子结构含氯原子，电池内产生多硫化锂后，后者会挤走氯原子占据位置，形成新分子，进而与多硫化物动态配位。

这带来两大好处。

“这种分子复合体难溶于电解液，防止长链多硫化物溶解流失；且其反应速度远快于单独存在的多硫化锂。”周光敏说，即同时解决了反应动力学差、速度慢、效率低的问题。

这一机制令人兴奋，但也引出新问题：如何设计分子结构以最大化“催化效果”？

高润华告诉《中国科学报》，预分子介体初始结构无装饰，若在侧链加不同官能团，可改变功能。

“这像搭积木。”高润华解释，“分子骨架是底板，侧链官能团是积木。积木种类、大小、位置影响最终功能。”

传统设计靠经验试错，“效率低且难总结规律。”高润华说。

周光敏团队采用量子化学计算和机器学习筛选。

“我们构建了196种候选分子作为‘积木’，用量子化学计算理解每块‘积木’特性及组合后的反应行为。”周光敏说，再通过机器学习从大量方案中总结规律，掌握“搭积木”最佳方案。

经探索，团队结合理论与可解释机器学习，定向优化元素组成和几何构型，最终筛选出催化效果最好的预分子介体：4-三氟甲基-2-氯嘧啶。

更广阔的前景

实验显示，相比常规电解液锂硫电池，用预分子介体的电池电荷转移阻抗降低约75%，硫转化反应效率大幅提升。

“市面常见锂离子电池能量密度多低于300瓦时/千克，且逼近极限。”高润华说，而用预分子介体的锂硫电池，现阶段能量密度已达549瓦时/千克。

同时，此类电池在标准快充下，反复充放电800次，仍能保持81.7%的电量。

“对高端无人机、电动垂直起降飞行器等低空装备，电池能量密度越高，越能在有限重量下实现更长续航、更大任务半径和更强载荷。”周光敏说，用于无人机将大幅提升续航和里程，释放航拍、物流、巡检等应用潜力。

值得一提的是，锂硫电池安全性等尚不如锂离子电池成熟，应用受限。但技术成熟后，将凭借高密度在电动汽车等领域广泛应用。

“未来，我们将这套‘搭积木’方法用于锂金属电池溶剂、电池回收有机补锂剂设计等前沿领域，助力产业智能化转型，为新能源高质量发展提供支撑。”周光敏说。