鋰硫電池因其理論能量密度高、硫元素儲量豐富且成本低廉，被視為未來高比能應用領域極具潛力的電池體系。然而，在實際應用中，鋰硫電池面臨著一大難題：硫在充放電過程中的反應路徑極為復雜，并非“一步到位”，而是要經歷一系列中間反應，生成溶解于電解液的多硫化物以及最終產物固體硫化鋰。這種復雜的“中轉路線”極易導致中間產物“跑偏”、反應“堵車”以及能量損失等問題，嚴重制約了鋰硫電池的性能提升。
針對這一挑戰，清華大學深圳國際研究生院的周光敏團隊取得了突破性進展。該團隊原創性地提出了硫電化學“預分子介體”概念，并建立了一套由“量子化學 + 機器學習”驅動的智能分子骨架編程方案。通過這一創新方案，團隊從196種候選分子中成功篩選出高性能的預分子介體——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。
這種預分子介體的設計十分巧妙。在電解液中，它最初處于“沉睡”狀態，只有當進入硫反應現場后，才會被多硫化物原位“喚醒”，進而轉化為真正發揮作用的活性介體。這一特性使得電池反應能夠更加精準、高效地進行，有效避免了中間產物的“跑偏”和反應“堵車”問題。
團隊開發的“量子化學 + 機器學習”智能分子骨架編程方法，將196種候選分子視為“積木搭建方案”。通過量子化學計算和機器學習篩選，對預分子介體的元素組成和幾何構型進行了定向優化設計。這種創新方法不僅提高了篩選效率，還確保了最終篩選出的預分子介體具有優異的性能。
實驗結果表明，使用4-三氟甲基-2-氯嘧啶作為預分子介體的鋰硫電池，電荷轉移阻抗相比使用常規電解液的鋰硫電池下降了75%，顯著加速了硫轉化反應動力學。同時，該電池在1C快充倍率下能夠穩定循環800圈，容量保持率高達81.7%。在高硫載（28 mg / cm2）和貧電解液（3.4 mL/g）的嚴苛條件下，團隊構筑的總容量為14.2 Ah的鋰硫軟包器件，能量密度達到了549 Wh/kg。這意味著單位重量的該電池能夠儲存比常規動力鋰離子電池更多的電能，為鋰硫電池的實際應用奠定了堅實基礎。
相關研究成果以“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，在線發表于《自然》（Nature）期刊。
