无人机为啥总飞不远？说到底，是电池里的“能量密度”不够高。同样重量下，能量密度越高，电量越多，飞得就越远。面向电动垂直起降飞行器、高端无人机等低空经济应用对长续航的迫切需求，开发下一代高比能电池成为关键路径。
清华大学深圳国际研究生院副教授周光敏团队打破传统模式，像搭“分子积木”一样设计功能分子，实现锂硫电池能量密度的大幅提升。相关成果近日发表于《自然》。
现有常规锂离子电池的能量密度大多低于300 Wh/kg，已接近材料体系的极限。锂硫电池理论能量密度很高，且硫元素储量丰富、成本低廉，被认为是有望支撑高比能应用的重要体系。但实际应用中面临难题：硫在充放电过程中不是“一步到位”，而要经历一系列复杂的中间反应，生成多硫化物和最终产物硫化锂。
“如果中间‘站点’管理不好，有些‘货物’就会跑到不该去的地方，也就是多硫化物穿梭；而有些路段又很‘拥堵’，反应速度很慢。”论文共同第一作者、深圳国际研究生院2023级博士生高润华介绍道：“‘中转路线’越复杂，就越容易出现中间产物‘跑偏’‘反应堵车’‘能量损失’等现实问题。因此，锂硫电池稳定循环的难点不只是‘把硫留住’，而是要让整个硫转化路线更加有序、高效。”
针对上述挑战，周光敏团队原创性地提出硫电化学“预分子介体”概念，建立了一套“量子化学+机器学习”驱动的智能分子骨架编程方案，成功从196种候选分子中筛选出高性能预分子介体。
传统的功能分子设计类似于凭经验试着搭积木。团队致力于先理解每一块“积木”的本征特性，研究它们组合起来以后会如何影响分子的反应行为，最终为搭建目标功能分子“画出图纸”，即形成“积木搭建指南”。在这一过程中，量子化学计算起到了重要作用，为研究团队测量了每块“积木”的物理化学性质。接着，团队还通过机器学习从大量搭建方案中总结规律，掌握“积木搭建”的最佳方案。
在接近真实使用环境的严格测试中，团队造出的试验电池，每公斤能储存549瓦时电量。这几乎是目前主流无人机电池（约300瓦时/公斤）的两倍。
据悉，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。若将该电池应用于无人机等低空飞行器，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。
未来，团队希望将这套“积木搭建指南”拓展至有机液流电池、锂金属电池、电池直接回收等前沿领域，为推动新能源产业高质量发展提供关键技术支撑。
