無人機為啥總飛不遠？說到底，是電池裡的“能量密度”不夠高。同樣重量下，能量密度越高，電量越多，無人機飛得就越遠。面向電動垂直起降飛行器、高端無人機等低空經濟應用對長續航的迫切需求，開發下一代高比能電池成為關鍵路徑。清華大學深圳國際研究生院副教授周光敏團隊日前發表相關研究成果，該成果打破傳統模式，像搭“分子積木”一樣設計功能分子，實現鋰硫電池能量密度的大幅提升。

現有常規鋰離子電池的能量密度大多低於300瓦時每千克，已接近材料體系的極限。鋰硫電池理論能量密度很高，且硫元素儲量豐富、成本低廉，被認為是有望支撐高比能應用的重要體系。但實際應用中面臨難題：硫在充放電過程中不是“一步到位”，而要走完一條充滿中間站點的“運輸路線”——經歷一系列復雜的中間反應，生成多硫化物和最終產物硫化鋰。

“如果中間站點管理不好，有些‘貨物’就會跑到不該去的地方，也就是多硫化物穿梭﹔而有些路段又很‘擁堵’，反應速度很慢。”論文共同第一作者、深圳國際研究生院2023級博士生高潤華介紹，“中轉路線越復雜，就越容易出現中間產物‘跑偏’‘反應堵車’‘能量損失’等問題。因此，鋰硫電池穩定循環的難點不只是‘把硫留住’，而是要讓整個硫轉化路線更加有序、高效。”

針對上述挑戰，周光敏團隊原創性地提出硫電化學預分子介體概念，所謂預分子介體，是一類最初在電解液中處於“沉睡”狀態的分子，隻有進入硫反應現場，才會被多硫化物原位“喚醒”，轉化為真正發揮作用的活性介體。被喚醒的介體一方面與多硫化物絡合形成低溶解度團簇，相當於“筑壩修堤”﹔另一方面打通快速電荷轉移通道，相當於為反應“修建高速公路”。

接下來的關鍵，是怎樣找到性能最優的預分子。團隊建立了一套“量子化學+機器學習”驅動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分子介體。傳統的功能分子設計類似於憑經驗試著“搭積木”。團隊致力於先理解每一塊“積木”的本征特性，研究它們組合起來以后會如何影響分子的反應行為，最終為搭建目標功能分子“畫出圖紙”，即形成“積木搭建指南”。在這一過程中，量子化學計算起到了重要作用，為研究團隊測量了每塊“積木”的物理化學性質。接著，團隊還通過機器學習從大量搭建方案中總結規律，掌握“積木搭建”的最佳方案。

在接近真實使用環境的嚴格測試中，團隊造出的試驗電池，每千克能儲存549瓦時電量。這幾乎是目前主流無人機電池的兩倍。若將該電池應用於無人機等低空飛行器，將有望大幅提升其單次續航時間和裡程，從而為無人機在消費級航拍、物流配送、長距離電力巡檢等領域的應用釋放更多潛力。

未來，團隊希望將這套“積木搭建指南”拓展至有機液流電池、鋰金屬電池、電池直接回收等前沿領域，為推動新能源產業高質量發展提供關鍵技術支撐。（記者鄧暉、黨文婷、嚴聖禾）