深圳国际研究生院周光敏团队以智能分子骨架编程实现高能量密度锂硫电池开发
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清华新闻网5月7日电 开发兼具高能量密度和稳定循环寿命的新型电池体系，是新能源领域的重要研究方向之一。锂硫电池因具备高能量密度，被广泛认为是下一代高比能电池的重要候选体系。然而，实现锂硫电池的产业化需要克服多硫化物“穿梭效应”导致的活性物质损失，以及硫物种多步转化反应动力学缓慢、能量效率低下等难题。如何在电解液层面精准调控这一复杂转化过程，是锂硫电池迈向高能量密度和长寿命应用必须解决的关键问题。
针对上述挑战，清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授团队提出硫电化学“预分子介体”概念，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，成功从196种候选分子中筛选出高性能预分子介体——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。该材料可在电池反应前线被多硫化物原位激活，就地转化为活性介体，使硫转化步入“快车道”。
硫电化学“预分子介体”概念与传统意义上直接加入电解液并发挥作用的分子介体不同，预分子介体更像是一种“待激活”的分子前体：它在电池运行过程中与正极反应前线生成的多硫化物发生原位化学反应，就地转化为真正发挥作用的活性介体。研究团队以2-氯嘧啶作为模型预分子介体，发现其可通过原位芳香亲核取代机制与多硫反应生成嘧啶硫醇盐类活性介体。活化后的介体进一步通过动态N–Li/S–Li配位作用与多硫络合，既能形成低溶解度团簇，将多硫限域在正极附近，为防止多硫扩散“筑坝修堤”；又能激活快速电荷转移通道，改变经典硫转化路径，为电化学反应修建“高速公路”。
图1.2-氯嘧啶在硫转化反应前线的原位芳香亲核取代表征
为进一步提升预分子介体的性能，研究团队将目光投向2-氯嘧啶的分子骨架，在2-氯嘧啶分子的不同位点设计接枝了7种不同类型的官能团（–H，–NH2，–CN，–OCH3，–Et，–Me，–CF3），构建了包含196种不同分子骨架构型的2-氯嘧啶衍生物分子库。在此基础上，研究团队开发了“量子化学+机器学习”智能分子骨架编程方法，并成功揭示了分子骨架与介导性能间的定量构效关系，识别了具有优异性能表现的分子骨架构型。机器学习预测和实验结果共同显示，在2-氯嘧啶分子的4号位接枝三氟甲基可使分子在保持化学稳定性的同时兼备低活化能垒与高介导活性，从而显著强化其对多硫转化反应的介导性能。
图2.2-氯嘧啶基预分子介体数据库的建立和特征工程分析
图3.智能分子骨架编程设计2-氯嘧啶基硫电化学预分子介体
基于该优选预分子介体，研究团队系统评估了锂硫电池的反应动力学和器件性能。结果显示，4-三氟甲基-2-氯嘧啶能够有效促进硫化锂成核和沉积，降低电荷转移阻力，加快硫物种转化。采用该预分子介体的锂硫电池在1 C快充倍率下循环800次，容量保持率仍高达81.7%。在面向实际应用的软包电池验证中，团队进一步构筑了总容量14.2安时级别的多层锂硫软包电池，可在高硫载和贫电解液条件下实现高达549 Wh/kg的能量密度，远超市售锂离子电池。若将该电池应用于无人机等低空飞行设备，将有望显著延长其单次续航时间和飞行里程，为低空经济的发展注入蓬勃动力。
图4.2-氯嘧啶基预分子介体介导下的硫转化反应动力学评估
图5.基于优选4-三氟甲基-2-氯嘧啶预分子介体的锂硫电池电化学性能
研究通过将量子化学计算的机理洞察与机器学习的高效预测相结合，使得研究团队可在广阔的有机分子空间中识别关键结构因素、预测分子性能，并反向指导实验筛选，从而降低传统试错成本，显著加速新型电解液功能性分子的开发。目前，团队正在开展分子骨架编程方法的拓展应用，未来有望拓展至有机液流电池正负极活性材料设计、锂金属电池溶剂分子设计、电池直接回收中的有机补锂剂设计等前沿领域，进一步助力产业生态向智能化转型，为推动新能源产业高质量发展提供关键技术支撑。
图6.智能分子骨架编程策略在有机液流电池、锂金属电池、锂空气电池、失效锂离子电池直接回收和复合相变材料界面设计上的潜在应用示意图
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，于5月6日发表于《自然》（Nature）。
清华大学深圳国际研究生院2023级博士生高润华、2023级硕士生祝伊飞为论文共同第一作者，清华大学深圳国际研究生院副教授周光敏为论文通讯作者。论文共同作者还包括清华大学深圳国际研究生院2025届博士毕业生陶晟宇、2024届博士毕业生韩志远、2024届硕士毕业生张梦天、2025届硕士毕业生劳洲界和宋彦泽、2024级博士生宋林轩，以及清华大学深圳国际研究生院博士后李宏泰、助理研究员朱雁飞等。
研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划、广东省创新创业团队计划的支持。
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