北京时间5月6日，清华大学深圳国际研究生院(清华SIGS)周光敏副教授团队在国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)在线发表最新研究成就，初次提出硫电化学“预分子介体”定义，通过“量子化学+机器学习”驱动的智能分子骨架编程策略，成功开发出能量密度高达549 Wh/kg的锂硫电池软包电池。
北京时间5月6日，清华大学深圳国际研究生院(清华SIGS)周光敏副教授团队在国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)在线发表最新研究成就，初次提出硫电化学“预分子介体”定义，通过“量子化学+机器学习”驱动的智能分子骨架编程策略，成功开发出能量密度高达549 Wh/kg的锂硫电池软包电池。
在目前常规动力锂电池能量密度大多低于300 Wh/kg、渐渐逼近材料体系上限的背景下，这一突破为电动垂直起降飞行器(eVTOL)、高档无人机等新兴低空经济应用提供了重要的技术支撑。
重点背景：超常规锂电池3|5倍理论能量密度的锂硫电池
无人机怎么样飞得更远?续航时间能有多长?核心在于电池的能量密度——同样重量下，能量密度越高，所携带的电量就越多，续航能力越强。面向低空经济对动力电池“高比能、长续航”的迫切需要，开发下一代高比能电池已成为亟待解决的重大课题。
锂硫电池具备极高的理论能量密度，可达常规锂离子电池的3|5倍，同时硫元素储量丰富、本钱低廉，被学界和产业界常见视为下一代高比能电池的要紧技术路线。
然而，锂硫电池长期受困于硫转化路径复杂、中间产物“穿梭效应”紧急等难点。充放电过程中，硫并不是“一步到位”转化为最后产物，而是历程一系列复杂的中间反应，生成溶解于电解液的多硫化物。这类中间产物容易“跑偏”流失，同时部分反应环节速度迟缓，致使实质能量密度远低于理论值、循环寿命很难满足实用需要。
技术突破：“预分子介体”从被动拦截到主动疏导
针对上述长期瓶颈，周光敏团队提出了全新思路：从“被动拦截”转向“主动疏导”。
团队原创性地提出了硫电化学“预分子介体”定义，设计了一种特殊的“待命分子”——4|三氟甲基|2|氯嘧啶。该分子在电解液中处于“沉睡”状况，只有在硫反应过程中被多硫化物“现场唤醒”，转化为真正发挥用途的活性介体。活化后的介体通过动态分子间配位用途与多硫化物络合，将多硫化物限域在正极附近，同时激活迅速电荷转移通道，从分子层面重新组织和调控硫转化反应互联网。
打个形象的比方：传统办法好比给电池里添置“交警”，试图拦住那些乱跑的中间产物;而周光敏团队的办法，则是从分子层面修建一条迅速路，让每一步转化都有序通行。
办法改革：量子化学+机器学习，分子设计告别“炒菜式试错”
更引人关注的，是支撑这一发现的设计办法。团队打造了“量子化学+机器学习”智能分子骨架编程办法，从196种候选分子中系统筛选出最佳结构。
传统功能分子设计主要依靠经验试错，好似搭积木时凭感觉反复换一块、改一个地方，效率偏低且难总结出普适规律。清华团队的做法则是先通过量子化学计算“测量每一块积木”的本征物理化学性质，再借助机器学习从很多策略中总结出结构与性能间的规律——用团队的话说，是为搭建目的功能分子“画出设计图纸”。
性能验证：549 Wh/kg能量密度+优秀循环稳定性
在一系列性能验证中，筛选出的4|三氟甲基|2|氯嘧啶预分子介体表现出卓越性能。研究显示，搭载该介体的锂硫电池在长循环测试中展示出优秀稳定性，同时在14.2 Ah级软包电池中达成了549 Wh/kg的超高能量密度——接近常规动力锂电池的两倍。
从应用维度看，能量密度的跃升直接意味着：同等重量下，搭载该电池的无人机可携带更多电量，飞行距离和续航时间显著延长;同等续航需要下，电池重量可大幅压缩，释放更多载荷空间。这对于消费级航拍、物流配送、长距离电力巡检、eVTOL等低空场景而言，具备明确的产业化价值。
团队底蕴：从材料到人工智能的交叉融合
这项研究背后，是周光敏团队近18年深入钻研锂硫电池范围的长期积累。团队长期致力于解决硫转化过程中的多硫溶解损失、穿梭效应及动力学缓慢等重点挑战，持续推进锂硫电池向高比能、实用化方向演进。
此次研究突破的重点原因之一，在于将材料科学、电化学、AI、数据科学等多个范围深度融合。团队构建了“量子化学计算→机器学习建模→实验验证→器件测试”的常识闭环，从定义提出到分子骨架编程、再到软包器件验证，每一步都需要不同常识体系之间的精确衔接。
学院平台：扎根湾区、对接产业需要
值得关注的是，这项研究深度依托清华SIGS的平台优势。作为清华大学在中国南方的策略支点，清华SIGS锚定国家策略与粤港澳大湾区产业进步需要，构建了“6+1”交叉学科集群。
学院材料学科实力雄厚——单独统计已跻身ESI全球排名前2‰，材料研究院全球排名达前1.5‰。这一高水平平台为团队提供了必不可少的学科交叉条件，使其得以在“人工智能+电池”这一前沿赛道上达成突破。
应用前景：低空经济的“动力之源”
从产业化前景看，锂硫电池凭着超高能量密度和硫元素储量丰富、本钱低廉、环境友好的显著优势，被常见视为接替目前锂电池体系的有力候选者之一。
全球多国和多家企业正加速布局该赛道。今年3月，韩国高丽大学研发出“热辅助”干法工艺，推进锂硫电池量产化;同月，三星SDI在InterBattery 2026展会上表示正在开发锂硫电池技术，并明确将城市空中交通(UAM)列为最重要应用场景;重庆大学遂宁研究院亦已建成国内首条锂硫电池中试线。澳大利亚Li|S Energy企业的第三代半固态锂硫电池目前能量密度已达456 Wh/kg。
此次清华团队的成就，在能量密度这一核心指标上已迈入行业前列，且办法论的通用性——通过智能分子骨架编程大幅缩短功能分子筛选周期——有望拓展至有机液流电池设计、锂金属电池溶剂分子筛选、电池直接收购中有机补锂剂开发等多个前沿方向。
从长远来看，这项成就不只为破解锂硫电池的产业化瓶颈提供了原创思路，也为粤港澳大湾区乃至全国低空经济与新能源产业进步注入了新的技术动能。
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