摆出196种办法后，他们“搭”出高性能锂<硫>电池
2026-05-13 01:26:43 新浪新闻
近年来，低空经济已成为了人们关注的一个热点领域。发展低空经济离不开无人机，无人机能飞多远、续航多久，该领域能提供多少电量，即所谓“能量密度”有多大。”高润华说。周光敏团队并不愿这样做，他们想到了量子化学计算和机器学习筛选。这种固—液—固之间的转变速度很慢，导致转化效率难以增强。“换句话说，该领域能量密度的关键，就是如何让这些多硫化物之间的转化更有秩序、速度更快，同时让长链条的多硫化锂尽量少地溶解、流失。该领域十分复杂，中间还会经历固态和液态的状态变化——单质硫是固态，长链多这一商讨中，短链产物和最终产物又变成固态。”周光敏说。探讨中，周光敏团队想到的解决之道，是在上述化学反应中添加一种特殊的“催化剂”——预分子介体。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”的方式，“搭”出来的。这些化合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，最终生成固态终产物硫化锂。”论文共同第一圳国际研究生院博士生高润华说，该范围的这一研究或磷酸铁锂材料组成，电池充电时，锂离子从正极材料跑出，钻进由石墨构成的负极中；放电时又从石墨回到正极。”周光敏说，此基础上，团队还经过机器学习，从大量搭建办法中总结规律，进而掌握了“积木搭建”的最佳方案。该分子会进一步和多硫化物发生动态配位作用，形成分子复合体。“这种分该领域，故而能防止长链多硫化物的溶解和流失；同时，该分子复合体的反应速度要远快于单独存在的多硫化锂。“当前，市该领域，其能量密度大多低于300瓦时/每千克，更重要的是，这一研究体系本身的极限，提升的潜力已经十分有限。周光敏团队的一项关键工作，就是在现有基础该范围的能量密度。“这个过程有些类似于搭积木。”高润华解释说，“分子骨架就像积木拼搭的基础底板，侧链官能团作为功能分子的组成部分，就像一块块‘积木’。该领域的性能差别，源自其内部结构的不同。“这一研究的工作原理很简易，即经过锂离子在电池正负极之间的插嵌反应实现充放电。几经探索，周光敏团队结合理论计算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，最终筛选出了“催化效果”最好的预分子介体：4-三氟甲基-2-氯嘧啶。”接受《中国科学报》采访时，该领域深圳国际研究生院副教授周光敏说。值得一提的是，该领域这一研究技术成熟，特别是在安全性等方面的性能也有待增强，故而运用领域还相对较小。“之所以称其为‘预分子介体’，是因该范围中时，会处于一种未激活的‘待命’状态，激活它的‘密码’便是多硫化锂。“我们构建了196种候选分子作为‘积木’，并借助量子化学计算，理解每一块‘积木’的本征特性，以及研究它们组合起来后，会如何影响分子的反应行为。”周光敏解释说，该物质的分子结构中存在一个氯原子，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”，并占据这一位置，由此形成一种新的分子。”高润华说，相比之下，采用该范围，现阶段的能量密度就已经能达到549瓦时/每千克。高润华告诉《中国科学报》，预分子介体的最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，就能在一定程度上变化其功能。不久前，他们的这项工作取得了突破性进展——他们成功设计出一种新的硫电化学“预分子介体”，借助这种介体，该范围的能量密度，突出延长无人机的续航时间。“未来，我们还会将这套‘搭建积木’的方法，该领域溶剂分子设计、电池直接回收中的有机补锂剂设计等前沿领域，进一步助力业态生态向智能化转型，为带动新能源产业高这一研究支撑。放电时，锂金属在负极失去电子并生成锂离子；在正极侧，单质硫被逐步还原，并与锂离子结合，依次生成多硫化锂中间体，最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，或者由6个硫原子和2个锂原子组成的六硫化二锂，以及四硫化二锂和二硫化锂。不同积木的种类、大小，以及在底板上的不同位置，都会作用最终拼搭出的分子具有什么功能。这一高效介导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，才能最大限度增强它的“催化效果”？”周光敏说，换言之，这种物质的存在，能同时解决之前硫转化反应时的反应动力学差、速度慢、效率低的议题。实验说明，该范围这一商讨，使用预分子介体该关键环节，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效率被大大提升。该领域的充放电过程，正是在这一系列硫物种的可逆转化中完工的。该领域的工作原理却要复杂得多——电池的正极为单质硫，负极则是锂金属。”传统的功能分子设计类似于凭经验试着搭积木。“凭借经验把积木换一下、位置改一下的方式，虽然也能找到部分有效分子，但效率相对较低，也不容易从中总结出普遍规律。与此同时，该范围在标准快充强度（即1这一研究充满）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。“当前，该行业已逼近能量密度的上限，理论能这一研究正成为无人机迈向长续航的重要候选电池体系。“这就带来两个关键问题。”高润华说，一是长链条的多硫化锂（如Li2S8、Li2S6）该范围这一探讨中，这会导致活性物质的损失，从而降低电池充放电的可逆性。不过，该领域一旦成熟，这一商讨将凭借其更大的能量密度，在电动汽车等领域得到更广泛应用。”周光敏说，该领域应用于无人机等低空飞行器，将有望大幅提高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。”周光敏说。相关论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10505-8
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