無人機為啥總飛不遠？說到底，是電池里的“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(jīng)濟應(yīng)用對長續(xù)航的迫切需求，開發(fā)下一代高比能電池成為關(guān)鍵路徑。清華大學(xué)深圳國際研究生院副教授周光敏團隊日前發(fā)表相關(guān)研究成果，該成果打破傳統(tǒng)模式，像搭“分子積木”一樣設(shè)計功能分子，實現(xiàn)鋰硫電池能量密度的大幅提升。

現(xiàn)有常規(guī)鋰離子電池的能量密度大多低于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(yīng)用的重要體系。但實際應(yīng)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(jīng)歷一系列復(fù)雜的中間反應(yīng)，生成多硫化物和最終產(chǎn)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(yīng)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(zhuǎn)路線越復(fù)雜，就越容易出現(xiàn)中間產(chǎn)物‘跑偏’‘反應(yīng)堵車’‘能量損失’等問題。因此，鋰硫電池穩(wěn)定循環(huán)的難點不只是‘把硫留住’，而是要讓整個硫轉(zhuǎn)化路線更加有序、高效�！�

針對上述挑戰(zhàn)，周光敏團隊原創(chuàng)性地提出硫電化學(xué)預(yù)分子介體概念，所謂預(yù)分子介體，是一類最初在電解液中處于“沉睡”狀態(tài)的分子，只有進入硫反應(yīng)現(xiàn)場，才會被多硫化物原位“喚醒”，轉(zhuǎn)化為真正發(fā)揮作用的活性介體。被喚醒的介體一方面與多硫化物絡(luò)合形成低溶解度團簇，相當于“筑壩修堤”；另一方面打通快速電荷轉(zhuǎn)移通道，相當于為反應(yīng)“修建高速公路”。

接下來的關(guān)鍵，是怎樣找到性能最優(yōu)的預(yù)分子。團隊建立了一套“量子化學(xué)+機器學(xué)習(xí)”驅(qū)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(yù)分子介體。傳統(tǒng)的功能分子設(shè)計類似于憑經(jīng)驗試著“搭積木”。團隊致力于先理解每一塊“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(yīng)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(xué)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(xué)性質(zhì)。接著，團隊還通過機器學(xué)習(xí)從大量搭建方案中總結(jié)規(guī)律，掌握“積木搭建”的最佳方案。

在接近真實使用環(huán)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(yīng)用于無人機等低空飛行器，將有望大幅提升其單次續(xù)航時間和里程，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(lǐng)域的應(yīng)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(lǐng)域，為推動新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

人民網(wǎng)>>經(jīng)濟·科技  2026年05月30日

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