清华大学研发新型锂硫电池：能量密度达549 Wh/kg，将提升无人机续航能力
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清华大学研发新型锂硫电池：能量密度达549 Wh/kg，将提升无人机续航能力
清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授研究团队近日取得重大突破，开发出一种具有高能量密度的锂硫电池。通过结合量子化学与机器学习技术，团队采用类似“搭积木”的方式设计功能分子，从196种分子组合中筛选出一种可在电池反应环境中被“激活”的硫电化学“预分子介体”。该介体在反应过程中转化为活性分子，从而优化了复杂的硫转化路径，显著提升了电池性能。
硫电化学预分子介体的智能分子骨架编程助力高比能锂硫电池发展概念图
2026年5月6日，相关研究成果以“硫电化学预分子介体的分子骨架编程”（Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry）为题，在国际权威期刊《自然》（Nature）在线发表。
锂硫电池因其高理论能量密度而受到广泛关注。硫元素资源丰富且成本低廉，使其成为支撑未来高比能量应用的关键候选体系之一。
然而，在实际应用中，锂硫电池面临一个显著挑战：硫在充放电过程中并非“一步到位”，而是需要经历多个中间反应步骤，生成可溶于电解液的多硫化物，并最终形成固体硫化锂。这种复杂的“中转路线”容易导致中间产物偏离反应路径、动力学迟滞，以及能量损失等问题。
为解决这一难题，周光敏团队提出了一种创新性的“硫电化学预分子介体”概念，并开发出一种由“量子化学 + 机器学习”驱动的智能分子骨架编程方法。通过该方法，团队成功筛选出性能优异的预分子介体——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。
该分子在电解液中初始处于非活性状态，只有当其进入硫反应区域后，才会被多硫化物原位激活，转化为真正参与反应的活性介体。
2-氯嘧啶基预分子介体在多硫转化反应前线的原位激活
研究团队构建了196种候选分子的“积木式”数据库，结合量子化学计算与人工智能驱动的可解释性机器学习模型，对分子的元素组成和几何结构进行优化设计，最终确定出表现最优的预分子介体。
2-氯嘧啶基预分子介体数据库的建立和特征工程分析
通过定向优化，团队发现4-三氟甲基-2-氯嘧啶能够有效降低电池的电荷转移阻抗，相比传统电解液方案下降达75%，从而显著加快硫转化反应的速率。此外，基于该介体的锂硫电池在1C快充倍率下可稳定循环800次，容量保持率高达81.7%。
在实际应用验证中，研究团队还在高硫载量（28 mg/cm2）与贫电解液（3.4 mL/g）的条件下，成功制备出总容量达14.2 Ah的锂硫软包电池，其能量密度高达549 Wh/kg。这意味着，与常规锂离子电池相比，该电池在单位重量下可提供更高的能量储存能力，为包括无人机在内的多种高比能量应用场景带来突破。
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