清华SIGS团队Nature发文：用“分子积木”搭出高比能锂硫电池

无人机如何飞得更远？续航时间能有多长？答案就在电池的能量密度里——清华大学深圳国际研究生院（以下简称“清华SIGS”）副教授周光敏团队打破传统模式，设计出一种特殊的“待命分子”，使其能在电池内部“被唤醒”后，主动疏导内部“交通”，极大提升锂硫电池的能量密度，有望显著提升无人机的续航时间，为低空经济的发展注入蓬勃动力。

5月6日，相关成果以“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，在线发表于《自然》（Nature）期刊。（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10505-8）

首次提出硫电化学“预分子介体”概念

无人机的飞行距离和续航时间取决于所搭载电池的能量密度。同样重量下，电池能量密度越高，所携带的电量就越多，无人机就能飞得越远。现有常规动力锂离子电池的能量密度大多低于300 Wh/kg，已经逐渐接近材料体系本身的极限。

锂硫电池具有非常高的理论能量密度，却面临着一个长期难题：硫在充放电过程中不是“一步到位”，而是一条“充满许多中转站的行车运输路线”。“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、清华大学深圳国际研究生院2023级博士生高润华介绍，“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。”

针对这一挑战，周光敏团队原创性地提出硫电化学“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。活化后的介体，通过动态分子间配位作用与多硫化物络合形成低溶解度团簇，既能为防止多硫化物扩散“筑坝修堤”，将多硫化物限域在正极附近，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”。

2-氯嘧啶基预分子介体在多硫转化反应前线的原位激活

“分子积木”助力功能分子智能设计

很快团队又发现了新的问题：如何进一步提升预分子介体的性能？由此，团队将目光投向了2-氯嘧啶的分子骨架，并开发了“量子化学+机器学习”智能分子骨架编程方法。

高润华解释，“分子骨架就像积木拼搭的基础底板，而侧链官能团就像一块块‘积木’。不同积木的种类、大小以及放在底板上的哪个位置，都会影响最终拼搭出的分子具有什么功能。”团队构建了196种候选分子作为“积木搭建方案”，通过量子化学计算和机器学习筛选，最终找到了性能优异的预分子介体，赋予了锂硫电池优越的电化学性能。

2-氯嘧啶基预分子介体数据库的建立和特征工程分析

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。论文共同第一作者、深圳国际研究生院2023级硕士生祝伊飞充分发挥所长，主要负责计算化学、机器学习的切入，以及后期机理和数据的解析工作。

智能分子骨架编程设计2-氯嘧啶基硫电化学预分子介体

就这样，团队结合理论计算和人工智能驱动的可解释机器学习模型，对预分子介体的元素组成和几何构型进行了定向优化设计，最终筛选出的分子可显著加速电池的反应动力学，使锂硫电池在长循环测试中表现出优异稳定性，同时在14.2 Ah级软包电池中实现了549 Wh/kg的高能量密度——这意味着，单位重量电池能够储存相比常规动力锂离子电池更多的电能。

对于高端无人机、电动垂直起降飞行器等低空装备来说，电池能量密度越高，就越有可能在有限重量下实现更长续航、更大任务半径和更强载荷能力。若将该电池应用于无人机等低空飞行器，将有望显著延长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。

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

未来，团队希望将这套“积木搭建指南”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。

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

18年电池领域长期攻关“适逢其时”

周光敏2014年博士毕业于中国科学院金属研究所，毕业后先后在美国德州大学奥斯汀分校和斯坦福大学开展博士后研究，于2019年博士后出站后加入清华SIGS。

从2008年底至今，周光敏与锂硫电池的缘分已近18年。2025年周光敏入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力排行榜”，并自2018年以来连续8年入选科睿唯安全球高被引学者（2025年入选材料科学、环境与生态两个学科）。

周光敏

周光敏师门合影

在周光敏看来，此次发表的成果，不仅是他和团队近18年积累的结晶，也是一种“适逢其时”的缘分。高润华与祝伊飞一人负责实验、一人专注理论计算，希望借助各种先进表征方法的同时，融入量子化学与人工智能的力量，有效克服长期困扰该领域的诸多挑战……经过长期积淀，团队在材料设计、计算指导、性能优化到应用验证等多个环节持续攻关，最终实现了器件综合性能的突破。

周光敏（前排中）与课题组学生合影（三排右一、四排右一分别为高润华、祝伊飞）

“深圳作为国民经济主战场之一，在无人机和低空经济发展上也拥有得天独厚的优势。”周光敏表示，团队的研究领域与粤港澳大湾区的产业发展需求深度契合，这项研究虽然取得了一定进展，但距离真正走向“货架”、服务低空经济尚有发展空间，涉及工艺提升、器件优化等多个环节，而这也离不开更多的交叉创新型工程人才。

作为清华大学在中国南方的重要战略组成部分，清华SIGS以国家战略和粤港澳大湾区产业发展为牵引，前瞻布局“6+1”交叉学科集群，推动交叉创新研究。学院七个学科进入ESI全球前1%，其中材料学科进入前1‰。借助这一高水平学科平台，团队将材料科学、电化学、人工智能、数据科学等领域深度融合，在AI+电池的交叉赛道上加速奔跑。周光敏希望，“将应用中的关键挑战融入人才培养体系，培养出既懂基础研究、又能解决工程问题的复合型人才，持续为实现科技自立自强和国家的发展贡献源源不断的清华力量。”

（受访单位供图）

编辑 刘彦 审读 卓晶 二审 党毅浩 三审 汤山文