【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】開發(fā)兼具高能量密度和穩(wěn)定循環(huán)壽命的新型電池體系，是新能源領域的重要研究方向之一。鋰硫電池因具備高能量密度，被廣泛認為是下一代高比能電池的重要候選體系。然而，實現(xiàn)鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化需要克服多硫化物“穿梭效應”導致的活性物質損失，以及硫物種多步轉化反應動力學緩慢、能量效率低下等難題。如何在電解液層面精準調控這一復雜轉化過程，是鋰硫電池邁向高能量密度和長壽命應用必須解決的關鍵問題。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，清華大學深圳國際研究生院周光敏副教授團隊提出硫電化學“預分子介體”概念，建立了一套“量子化學+機器學習”驅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分子介體——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。該材料可在電池反應前線被多硫化物原位激活，就地轉化為活性介體，使硫轉化步入“快車道”。
 

　　硫電化學“預分子介體”概念與傳統(tǒng)意義上直接加入電解液并發(fā)揮作用的分子介體不同，預分子介體更像是一種“待激活”的分子前體：它在電池運行過程中與正極反應前線生成的多硫化物發(fā)生原位化學反應，就地轉化為真正發(fā)揮作用的活性介體。研究團隊以2-氯嘧啶作為模型預分子介體，發(fā)現(xiàn)其可通過原位芳香親核取代機制與多硫反應生成嘧啶硫醇鹽類活性介體?；罨蟮慕轶w進一步通過動態(tài)N–Li/S–Li配位作用與多硫絡合，既能形成低溶解度團簇，將多硫限域在正極附近，為防止多硫擴散“筑壩修堤”；又能激活快速電荷轉移通道，改變經(jīng)典硫轉化路徑，為電化學反應修建“高速公路”。
 

　　為進一步提升預分子介體的性能，研究團隊將目光投向2-氯嘧啶的分子骨架，在2-氯嘧啶分子的不同位點設計接枝了7種不同類型的官能團(–H，–NH2，–CN，–OCH3，–Et，–Me，–CF3)，構建了包含196種不同分子骨架構型的2-氯嘧啶衍生物分子庫。在此基礎上，研究團隊開發(fā)了“量子化學+機器學習”智能分子骨架編程方法，并成功揭示了分子骨架與介導性能間的定量構效關系，識別了具有優(yōu)異性能表現(xiàn)的分子骨架構型。機器學習預測和實驗結果共同顯示，在2-氯嘧啶分子的4號位接枝三氟甲基可使分子在保持化學穩(wěn)定性的同時兼?zhèn)涞突罨軌九c高介導活性，從而顯著強化其對多硫轉化反應的介導性能。
 

　　基于該優(yōu)選預分子介體，研究團隊系統(tǒng)評估了鋰硫電池的反應動力學和器件性能。結果顯示，4-三氟甲基-2-氯嘧啶能夠有效促進硫化鋰成核和沉積，降低電荷轉移阻力，加快硫物種轉化。采用該預分子介體的鋰硫電池在1 C快充倍率下循環(huán)800次，容量保持率仍高達81.7%。在面向實際應用的軟包電池驗證中，團隊進一步構筑了總容量14.2安時級別的多層鋰硫軟包電池，可在高硫載和貧電解液條件下實現(xiàn)高達549 Wh/kg的能量密度，遠超市售鋰離子電池。若將該電池應用于無人機等低空飛行設備，將有望顯著延長其單次續(xù)航時間和飛行里程，為低空經(jīng)濟的發(fā)展注入蓬勃動力。
 

　　研究通過將量子化學計算的機理洞察與機器學習的高效預測相結合，使得研究團隊可在廣闊的有機分子空間中識別關鍵結構因素、預測分子性能，并反向指導實驗篩選，從而降低傳統(tǒng)試錯成本，顯著加速新型電解液功能性分子的開發(fā)。目前，團隊正在開展分子骨架編程方法的拓展應用，未來有望拓展至有機液流電池正負極活性材料設計、鋰金屬電池溶劑分子設計、電池直接回收中的有機補鋰劑設計等前沿領域，進一步助力產(chǎn)業(yè)生態(tài)向智能化轉型，為推動新能源產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展提供關鍵技術支撐。
 

　　研究成果以“硫電化學預分子介體的分子骨架編程”(Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry)為題，于5月6日發(fā)表于《自然》(Nature)。
 

　　清華大學深圳國際研究生院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，清華大學深圳國際研究生院副教授周光敏為論文通訊作者。論文共同作者還包括清華大學深圳國際研究生院2025屆博士畢業(yè)生陶晟宇、2024屆博士畢業(yè)生韓志遠、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，以及清華大學深圳國際研究生院博士后李宏泰、助理研究員朱雁飛等。
 

　　研究得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、深圳市科技計劃、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊計劃的支持。
 

　　引用：深圳國際研究生院周光敏團隊以智能分子骨架編程實現(xiàn)高能量密度鋰硫電池開發(fā) 清華大學 【引用時間：2026年05月07日】