近日，清华大学深圳海外商议生院副陶冶周光敏团队赢得要道松弛，选拔“分子积木”遐想想路，借助量子化学与机器学习时期，研发出高比能锂硫电板有关效用，在线发表于《当然》。

硫电化学预分子介体的智能分子骨架编程助力高比能锂硫电板发展见识图

直面“续航惊险”永恒瓶颈：锂硫电板，为何备受柔软？

无东说念主机的翱游距离和续航时辰取决于所搭载电板的能量密度。相似分量下，电板能量密度越高，所佩戴的电量就越多，无东说念主机就能飞得越远。现存老例能源锂离子电板的能量密度大多低于300 Wh/kg，已经安宁接近材料体系本人的极限。因此，面向电动垂直起降翱游器、高端无东说念主机等新兴低空经济欺骗对能源电板高比能、长续航的进攻需求，设备下一代高比能电板成为产业升级的要路门路。

锂硫电板具有极度高的表面能量密度，同期由于硫元素储量丰富、资本便宜，被觉得是有但愿撑持往时高比能欺骗的渊博电板体系。商量词，践诺欺骗场景中却面对一个穷苦：硫在充放电经过中不是“一步到位”，而是一条“充满很多中转站的行车运输阶梯”——需要阅历一系列复杂的中间反映，生成熔解于电解液的多硫化物和最终家具固体硫化锂。

“若是中间‘站点’处治不好，有些‘货品’就会跑到不该去的地点，也就是多硫化物穿梭；而有些路段又很‘拥挤’，反映速率很慢。”论文共同第一作家、深圳海外商议生院2023级博士生高润华先容说念：“‘中转阶梯’越复杂，就越容易出现中间家具‘跑偏’‘反映堵车’‘能量赔本’等现实问题。因此，锂硫电板踏实轮回的难点不仅仅‘把硫留下’，而是要让总共硫鼎新阶梯愈加有序、高效。”

初次提议硫电化学“预分子介体”：“千里睡待命”的活性分子被“现场叫醒”

针对上述挑战，周光敏团队原创性地提议硫电化学“预分子介体”见识，配置了一套“量子化学+机器学习”源流的智能分子骨架编程决策，奏效从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。

团队商议的中枢在于，不仅仅“堵住”那些跑偏的中间家具，而是已毕从“被迫遏制”换取为从分子层面从头组织和调控硫鼎新反映网罗。这等于团队提议的硫电化学“预分子介体”见识的由来——使分子领先在电解液中处于“千里睡”情状，独一干涉硫反映现场后，分子才会被多硫化物原位“叫醒”，从而鼎新为确切阐发作用的活性介体。

随后，活性介体通过动态分子间配位作用与多硫化物络合造成低熔解度团簇，既能为防患多硫化物扩散“筑坝修堤”，将多硫化物限域在正极隔邻，又能激活快速电荷转移通说念，更动经典硫鼎新旅途，为电化学反映修建“高速公路”。

2-氯嘧啶基预分子介体在多硫鼎新反映前方的原位激活

量子化学+机器学习“分子积木”助力功能分子智能遐想

诚然有了这一高效介导机制，但很快团队又发现了新的问题：何如进一步擢升预分子介体的性能？

由此，团队将目力投向了2-氯嘧啶的分子骨架，并设备了“量子化学+机器学习”智能分子骨架编程法子。

“一个功能分子的构筑经过，就像搭积木。”高润华说说念。“分子骨架就像积木拼搭的基础底板，而侧链官能团动作功能分子的构成部分，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，王人会影响最终拼搭出的分子具有什么功能。”团队构建了196种候选分子动作“积木搭建决策”，通过量子化学狡计和机器学习筛选，最终找到了性能优异的预分子介体，赋予了锂硫电板优厚的电化学性能。

2-氯嘧啶基预分子介体数据库的配置和特征工程分析

团队默示，传统的功能分子遐想近似于凭教会试着搭积木。“凭借教会把积木换一下、位置改一下的模式，诚然也能找到一些有用分子，但效用相对较低，也谢却易从中回归出普遍规定。”团队发奋于先清醒每一块“积木”的本征特色，商议它们组合起来以后会何如影响分子的反映行为，最终为搭建议论功能分子“画出图纸”，即造成“积木搭建指南”。在这照旧过中，量子化学狡计起到了渊博作用，为商议团队测量了每块“积木”的物理化学性质。接着，团队还通过机器学习从普遍搭建决策中回归规定，掌合手“积木搭建”的最好决策。

智能分子骨架编程遐想2-氯嘧啶基硫电化学预分子介体

团队辘集表面狡计和东说念主工智能源流的可讲明机器学习模子，对预分子介体的元素构成和几何构型进行了定向优化遐想，最终筛选出的4-三氟甲基-2-氯嘧啶，可使电板的电荷转移阻抗比拟使用老例电解液的锂硫电板下落75%，从而显赫加快硫鼎新反映能源学。同期，基于该预分子介体的锂硫电板可在1C快充倍率下踏实轮回800圈，容量保持率达81.7%。

在面向践诺欺骗的软包器件考据中，团队还在高硫载（28 mg/cm2）和贫电解液（3.4 mL/g）的严苛条款下，构筑了总容量14.2 Ah的锂硫软包器件，其能量密度可达549 Wh/kg——这意味着，单元分量的该电板或者储存比拟老例能源锂离子电板更多的电能。

基于优选4-三氟甲基-2-氯嘧啶预分子介体的锂硫电板电化学性能

关于高端无东说念主机、电动垂直起降翱游器等低空装备来说，电板能量密度越高，就越有可能在有限分量下已毕更长续航、更大任务半径和更强载荷智商。若将该电板欺骗于无东说念主机等低空翱游器，将有望大幅擢升其单次续航时辰和里程，从而为无东说念主机在耗尽级航拍、物发配送、长距离电力巡检等领域的欺骗开释更多后劲。

往时，团队但愿将这套“积木搭建指南”拓展至有机液流电板正负极活性材料遐想、锂金属电板溶剂分子遐想、电板成功回收中的有机补锂剂遐想等前沿领域，进一步助力产业生态向智能化转型，为鼓吹新能源产业高质料发展提供要道时期撑持。

智能分子骨架编程战略在有机液流电板、锂金属电板、锂空气电板、失效锂离子电板成功回收和复合相变材料界面遐想上的潜在欺骗

周光敏（左三）与课题组学生合影（左一为高润华、左二为祝伊飞）

清华大学深圳海外商议生院2023级博士生高润华、2023级硕士生祝伊飞为论文共同第一作家，周光敏为论文通信作家。论文共同作家还包括深圳海外商议生院2025届博士毕业生陶晟宇、2024届博士毕业生韩志远、2024届硕士毕业生张梦天、2025届硕士毕业生劳洲界和宋彦泽、2024级博士生宋林轩，以及博士后李宏泰、助理商议员朱雁飞等。商议得到科技部重心研发狡计、国度当然科学基金、深圳市科技狡计、广东省翻新创业团队狡计的援助。

论文贯穿：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10505-8

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