近年来秦皇岛橱柜台面胶，低空经济已成为了人们关注的个热点域。发展低空经济离不开人机，人机能飞多远、续航多久，关键又在于电池能提供多少电量，即所谓“能量密度”有多大。

“当前，常规的锂离子电池已逼近能量密度的上限，理论能量密度的锂硫电池正成为人机迈向长续航的重要候选电池体系。”接受《科学报》采访时，清华大学圳研究生院教授周光敏说。

周光敏团队的项重要工作，就是在现有基础上尽可能提升锂硫电池的能量密度。

不久前，他们的这项工作取得了突破进展——他们成功设计出种新的硫电化学“预分子介体”，借助这种介体，可大提升锂硫电池的能量密度，显著延长人机的续航时间。相关成果近日在线发表于《自然》。

有意思的是，他们的这项成果是以“搭积木”的式，“搭”出来的。

两个关键问题

锂离子电池与锂硫电池的能差别，源自其内部结构的不同。

“传统锂离子电池的工作原理很简单，即通过锂离子在电池正负之间的插嵌反应实现充放电。”论文共同作者、清华大学圳研究生院博士生润华说，现有商用锂离子电池的正多由锂氧化物材料或磷酸铁锂材料组成，电池充电时，锂离子从正材料跑出，钻进由石墨构成的负中；放电时又从石墨回到正。

锂硫电池的工作原理却要复杂得多——电池的正为单质硫，负则是锂金属。放电时，锂金属在负失去电子并生成锂离子；在正侧，单质硫被逐步，并与锂离子结，依次生成多硫化锂中间体，终转化为固态产物硫化锂。

多硫化锂中间体有很多类型，比如由8个硫原子和2个锂原子组成的八硫化二锂（Li2S8）秦皇岛橱柜台面胶，或者由6个硫原子和2个锂原子组成的六硫化二锂（Li2S6），以及四硫化二锂（Li2S4）和二硫化锂（Li2S2）。这些化物就像长度不同的链条，硫原子越多，链条越长，不同的“链条”之间还会相互转化，终生成固态终产物硫化锂（Li2S）。

锂硫电池的充放电过程，正是在这系列硫物种的可逆转化中完成的。

“这就带来两个关键问题。”润华说，是长链条的多硫化锂（如Li2S8、Li2S6）很容易溶解在电池内部的电解液中，这会致活物质的损失，从而降低电池充放电的可逆。

二是整个反应网络十分复杂，中间还会经历固态和液态的状态变化——单质硫是固态，长链多硫化锂容易溶解在电解液中，短链产物和终产物又变成固态。这种固—液—固之间的转变速度很慢，致转化率难以提升。

“换句话说，提升锂硫电池能量密度的关键，就是如何让这些多硫化物之间的转化有秩序、速度快，同时让长链条的多硫化锂尽量少地溶解、流失。”周光敏说。

寻找优“催化剂”

研究中，周光敏团队想到的解决之道，是在上述化学反应中添加种特殊的“催化剂”——预分子介体。

“之所以称其为‘预分子介体’，是因为这种物质被加入电解液中时，会处于种未激活的‘待命’状态，激活它的‘密码’便是多硫化锂。”周光敏解释说，该物质的分子结构中存在个氯原子，当电池内部产生多硫化锂时，后者就会将该结构中的氯原子“挤走”，并占据这位置，由此形成种新的分子。该分子会进步和多硫化物发生动态配位作用，形成分子复体。

这会带来两个好处。

“这种分子复体不易溶于电解液，因此能止长链多硫化物的溶解和流失；同时，该分子复体的反应速度要远快于单存在的多硫化锂。”周光敏说，换言之秦皇岛橱柜台面胶，这种物质的存在，能同时解决此前硫转化反应时的反应动力学差、速度慢、率低的问题。

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这介机制的发现令团队很是兴奋，但新问题也随之出现——如何设计预分子介体的分子结构，泡沫板橡塑板专用胶才能大限度提升它的“催化果”？

润华告诉《科学报》，预分子介体的初分子结构没有任何“装饰”，但如果在其结构的侧链加上不同的官能团，就能在定程度上改变其。

“这个过程有些类似于搭积木。”润华解释说，“分子骨架就像积木拼搭的基础底板，侧链官能团作为分子的组成部分，就像块块‘积木’。不同积木的种类、大小，以及在底板上的不同位置，都会影响终拼搭出的分子具有什么。”

传统的分子设计类似于凭经验试着搭积木。“凭借经验把积木换下、位置改下的式，虽然也能找到些有分子，但率相对较低，也不容易从中总结出普遍规律。”润华说。

周光敏团队并不愿这样做，他们想到了量子化学计和机器学习筛选。

“我们构建了196种候选分子作为‘积木’，并借助量子化学计，理解每块‘积木’的本征特，以及研究它们组起来后，会如何影响分子的反应行为。”周光敏说，此基础上，团队还通过机器学习，从大量搭建案中总结规律，进而掌握了“积木搭建”的佳案。

几经探索，周光敏团队结理论计和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，终筛选出了“催化果”好的预分子介体：4-三氟甲基-2-氯嘧啶。

广阔的前途

实验表明，相比使用常规电解液的锂硫电池，使用预分子介体的锂硫电池，其电荷转移阻抗可以下降75左右，这意味着电池内部的硫转化反应率被大大提升。

“目前，市面上常见的锂离子电池，其能量密度大多低于300瓦时/每千克，重要的是，这数值已经逼近材料体系本身的限，提升的潜力已经十分有限。”润华说，相比之下，使用预分子介体的锂硫电池，现阶段的能量密度就已经能达到549瓦时/每千克。

与此同时，此类锂硫电池在标准快充强度（即1小时可将电池充满）下，即便反复充放电800次，还能保住原本电量的81.7，

“对于端人机、电动垂直起降飞行器等低空装备来说，电池能量密度越，就越有可能在有限重量下实现长续航、大任务半径和强载荷能力。”周光敏说，如果将该电池应用于人机等低空飞行器，将有望大幅提升其单次续航时间和里程，从而为人机在消费航拍、物流配送、长距离电力巡检等域的应用释放多潜力。

值得提的是，由于当前锂硫电池技术尚不如传统锂离子电池技术成熟，特别是在安全等面的能也有待提升，因此使用范围还相对较小。不过，相关技术旦成熟，锂硫电池将凭借其大的能量密度，在电动汽车等域得到广泛应用。

“未来，我们还会将这套‘搭建积木’的法，用到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域，进步助力产业生态向智能化转型，为动新能源产业质量发展提供关键技术支撑。”周光敏说。

相关论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10505-8

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