用“分子积木”搭出高比能锂硫电池

深圳特区报讯（记者 李丽）无人机如何飞得更远，续航时间更长？答案就在电池的能量密度里。近日，清华大学深圳国际研究生院（清华SIGS）副教授周光敏团队在《自然》（Nature）期刊，以“硫电化学预分子介体的分子骨架编程”为题在线发表研究成果——成功实现锂硫电池549Wh/kg的高能量密度。

据介绍，现有常规动力锂离子电池的能量密度大多低于300Wh/kg，且已经接近材料本身极限。虽然锂硫电池理论能量密度极高，却始终面临一个难题：硫的充放电过程犹如一条“充满许多中转站的行车运输路线”，管理不好就会导致“货物跑偏”或者“路段拥堵”。

针对这一挑战，周光敏团队原创性地提出硫电化学“预分子介体”概念，并建立了一套“量子化学+机器学习”驱动的智能分子骨架编程方案，成功筛选出高性能预分子介体——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。活化后的介体，通过动态配位作用形成低溶解度团簇，既能“筑坝修堤”防止多硫化物扩散，又能为电化学反应修建“高速公路”。

作为论文共同第一作者，清华SIGS博士生高润华、硕士生祝伊飞一人负责实验、一人专注理论计算。高润华解释，如果把分子骨架看做积木拼搭的基础底板，侧链官能团就是“积木”，其种类、大小与位置共同决定了分子功能。为此，团队构建了196种候选方案，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，赋予了锂硫电池优越的电化学性能。经测试，该电池在14.2Ah级软包电池中实现了549Wh/kg的高能量密度，对于无人机等低空飞行器而言，意味着更长续航、更大任务半径和更强载荷能力。