【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】開(kāi)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(lǐng)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(rèn)為是下一代高比能電池的重要候選體系。然而，實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化需要克服多硫化物“穿梭效應(yīng)”導(dǎo)致的活性物質(zhì)損失，以及硫物種多步轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、能量效率低下等難題。如何在電解液層面精準(zhǔn)調(diào)控這一復(fù)雜轉(zhuǎn)化過(guò)程，是鋰硫電池邁向高能量密度和長(zhǎng)壽命應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院周光敏副教授團(tuán)隊(duì)提出硫電化學(xué)“預(yù)分子介體”概念，建立了一套“量子化學(xué)+機(jī)器學(xué)習(xí)”驅(qū)動(dòng)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(yù)分子介體——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。該材料可在電池反應(yīng)前線被多硫化物原位激活，就地轉(zhuǎn)化為活性介體，使硫轉(zhuǎn)化步入“快車道”。
硫電化學(xué)“預(yù)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(yù)分子介體更像是一種“待激活”的分子前體：它在電池運(yùn)行過(guò)程中與正極反應(yīng)前線生成的多硫化物發(fā)生原位化學(xué)反應(yīng)，就地轉(zhuǎn)化為真正發(fā)揮作用的活性介體。研究團(tuán)隊(duì)以2-氯嘧啶作為模型預(yù)分子介體，發(fā)現(xiàn)其可通過(guò)原位芳香親核取代機(jī)制與多硫反應(yīng)生成嘧啶硫醇鹽類活性介體。活化后的介體進(jìn)一步通過(guò)動(dòng)態(tài)N–Li/S–Li配位作用與多硫絡(luò)合，既能形成低溶解度團(tuán)簇，將多硫限域在正極附近，為防止多硫擴(kuò)散“筑壩修堤”；又能激活快速電荷轉(zhuǎn)移通道，改變經(jīng)典硫轉(zhuǎn)化路徑，為電化學(xué)反應(yīng)修建“高速公路”。
為進(jìn)一步提升預(yù)分子介體的性能，研究團(tuán)隊(duì)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(diǎn)設(shè)計(jì)接枝了7種不同類型的官能團(tuán)(–H，–NH2，–CN，–OCH3，–Et，–Me，–CF3)，構(gòu)建了包含196種不同分子骨架構(gòu)型的2-氯嘧啶衍生物分子庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了“量子化學(xué)+機(jī)器學(xué)習(xí)”智能分子骨架編程方法，并成功揭示了分子骨架與介導(dǎo)性能間的定量構(gòu)效關(guān)系，識(shí)別了具有優(yōu)異性能表現(xiàn)的分子骨架構(gòu)型。機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同顯示，在2-氯嘧啶分子的4號(hào)位接枝三氟甲基可使分子在保持化學(xué)穩(wěn)定性的同時(shí)兼?zhèn)涞突罨軌九c高介導(dǎo)活性，從而顯著強(qiáng)化其對(duì)多硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的介導(dǎo)性能。
基于該優(yōu)選預(yù)分子介體，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了鋰硫電池的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和器件性能。結(jié)果顯示，4-三氟甲基-2-氯嘧啶能夠有效促進(jìn)硫化鋰成核和沉積，降低電荷轉(zhuǎn)移阻力，加快硫物種轉(zhuǎn)化。采用該預(yù)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(dá)81.7%。在面向?qū)嶋H應(yīng)用的軟包電池驗(yàn)證中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)筑了總?cè)萘?4.2安時(shí)級(jí)別的多層鋰硫軟包電池，可在高硫載和貧電解液條件下實(shí)現(xiàn)高達(dá)549 Wh/kg的能量密度，遠(yuǎn)超市售鋰離子電池。若將該電池應(yīng)用于無(wú)人機(jī)等低空飛行設(shè)備，將有望顯著延長(zhǎng)其單次續(xù)航時(shí)間和飛行里程，為低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入蓬勃?jiǎng)恿Α?br />
研究通過(guò)將量子化學(xué)計(jì)算的機(jī)理洞察與機(jī)器學(xué)習(xí)的高效預(yù)測(cè)相結(jié)合，使得研究團(tuán)隊(duì)可在廣闊的有機(jī)分子空間中識(shí)別關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素、預(yù)測(cè)分子性能，并反向指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)篩選，從而降低傳統(tǒng)試錯(cuò)成本，顯著加速新型電解液功能性分子的開(kāi)發(fā)。目前，團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展分子骨架編程方法的拓展應(yīng)用，未來(lái)有望拓展至有機(jī)液流電池正負(fù)極活性材料設(shè)計(jì)、鋰金屬電池溶劑分子設(shè)計(jì)、電池直接回收中的有機(jī)補(bǔ)鋰劑設(shè)計(jì)等前沿領(lǐng)域，進(jìn)一步助力產(chǎn)業(yè)生態(tài)向智能化轉(zhuǎn)型，為推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
研究成果以“硫電化學(xué)預(yù)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(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生高潤(rùn)華、2023級(jí)碩士生祝伊飛為論文共同第一作者，清華大學(xué)深圳國(guó)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(xué)深圳國(guó)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(yuǎn)、2024屆碩士畢業(yè)生張夢(mèng)天、2025屆碩士畢業(yè)生勞洲界和宋彥澤、2024級(jí)博士生宋林軒，以及清華大學(xué)深圳國(guó)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的支持。
引用：深圳國(guó)際研究生院周光敏團(tuán)隊(duì)以智能分子骨架編程實(shí)現(xiàn)高能量密度鋰硫電池開(kāi)發(fā) 清華大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年05月07日】
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