搭“分子积木”让电池能量密度大幅提升

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　　本报北京5月29日电（记者邓晖、党文婷、严圣禾）无人机为啥总飞不远？说到底，是电池里的“能量密度”不够高。同样重量下，能量密度越高，电量越多，无人机飞得就越远。面向电动垂直起降飞行器、高端无人机等低空经济应用对长续航的迫切需求，开发下一代高比能电池成为关键路径。清华大学深圳国际研究生院副教授周光敏团队日前发表相关研究成果，该成果打破传统模式，像搭“分子积木”一样设计功能分子，实现锂硫电池能量密度的大幅提升。

　　现有常规锂离子电池的能量密度大多低于300瓦时每千克，已接近材料体系的极限。锂硫电池理论能量密度很高，且硫元素储量丰富、成本低廉，被认为是有望支撑高比能应用的重要体系。但实际应用中面临难题：硫在充放电过程中不是“一步到位”，而要走完一条充满中间站点的“运输路线”——经历一系列复杂的中间反应，生成多硫化物和最终产物硫化锂。

　　“如果中间站点管理不好，有些‘货物’就会跑到不该去的地方，也就是多硫化物穿梭；而有些路段又很‘拥堵’，反应速度很慢。”论文共同第一作者、深圳国际研究生院2023级博士生高润华介绍，“中转路线越复杂，就越容易出现中间产物‘跑偏’‘反应堵车’‘能量损失’等问题。因此，锂硫电池稳定循环的难点不只是‘把硫留住’，而是要让整个硫转化路线更加有序、高效。”

　　针对上述挑战，周光敏团队原创性地提出硫电化学预分子介体概念，所谓预分子介体，是一类最初在电解液中处于“沉睡”状态的分子，只有进入硫反应现场，才会被多硫化物原位“唤醒”，转化为真正发挥作用的活性介体。被唤醒的介体一方面与多硫化物络合形成低溶解度团簇，相当于“筑坝修堤”；另一方面打通快速电荷转移通道，相当于为反应“修建高速公路”。

　　接下来的关键，是怎样找到性能最优的预分子。团队建立了一套“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。传统的功能分子设计类似于凭经验试着“搭积木”。团队致力于先理解每一块“积木”的本征特性，研究它们组合起来以后会如何影响分子的反应行为，最终为搭建目标功能分子“画出图纸”，即形成“积木搭建指南”。在这一过程中，量子化学计算起到了重要作用，为研究团队测量了每块“积木”的物理化学性质。接着，团队还通过机器学习从大量搭建方案中总结规律，掌握“积木搭建”的最佳方案。

　　在接近真实使用环境的严格测试中，团队造出的试验电池，每千克能储存549瓦时电量。这几乎是目前主流无人机电池的两倍。若将该电池应用于无人机等低空飞行器，将有望大幅提升其单次续航时间和里程，从而为无人机在消费级航拍、物流配送、长距离电力巡检等领域的应用释放更多潜力。

　　未来，团队希望将这套“积木搭建指南”拓展至有机液流电池、锂金属电池、电池直接回收等前沿领域，为推动新能源产业高质量发展提供关键技术支撑。