清華大學深圳國際研究生院周光敏副教授團隊在鋰硫電池研究領域取得突破性進展。該團隊通過創新性地提出硫電化學“預分子介體”概念，結合量子化學計算與機器學習技術，成功開發出一種高性能分子材料，顯著提升了鋰硫電池的能量密度與循環穩定性，為無人機等高比能應用場景提供了新的技術路徑。
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，被視為下一代儲能體系的重要候選。然而，硫在充放電過程中需經歷復雜的多步反應，生成易溶解于電解液的多硫化物中間體，導致“反應堵車”“能量損耗”等問題，嚴重制約了其實際應用。針對這一挑戰，研究團隊首次提出“預分子介體”策略，通過設計一種在電解液中保持“沉睡”狀態的分子，僅在硫反應現場被多硫化物原位激活，轉化為高效活性介體，從而精準調控硫轉化路徑。
團隊構建了包含196種候選分子的數據庫，利用量子化學計算模擬分子與多硫化物的相互作用，結合機器學習模型篩選關鍵特征參數，最終鎖定4-三氟甲基-2-氯嘧啶作為最優介體。實驗表明，該分子可使電池電荷轉移阻抗降低75%，顯著加速硫轉化反應動力學。在1C快充條件下，基于該介體的鋰硫電池可穩定循環800次，容量保持率達81.7%，遠超傳統鋰硫電池性能。
為驗證技術實用性，研究團隊在嚴苛條件下（硫載量28 mg/cm2、貧電解液3.4 mL/g）制備了14.2 Ah的鋰硫軟包電池，其能量密度達549 Wh/kg，較傳統動力鋰離子電池提升近一倍。這一成果意味著同等重量下，該電池可存儲更多電能，為無人機等對續航要求極高的領域提供了技術支撐。相關研究以“硫電化學預分子介體的分子骨架編程”為題，發表于《自然》期刊。
