清華SIGS團隊最新Nature：用“分子積木”搭出高比能鋰硫電池

無人機如何飛得更遠？

續航時間能有多長？

答案就在電池的能量密度里

清華SIGS副教授周光敏團隊

打破傳統模式

設計出一種特殊的“待命分子”

使其能在電池內部“被喚醒”后

主動疏導內部“交通”

極大提升鋰硫電池的能量密度

有望顯著提升無人機的續航時間

為低空經濟的發展注入蓬勃動力

2026年5月6日

相關成果以“硫電化學預分子介體的分子骨架編程”（Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry）為題

在線發表于《自然》（Nature）期刊

《自然》文章截圖（點擊圖片查看論文詳情）

直面“續航焦慮”長期瓶頸：

鋰硫電池，為何備受關注？

無人機的飛行距離和續航時間取決于所搭載電池的能量密度。同樣重量下，電池能量密度越高，所攜帶的電量就越多，無人機就能飛得越遠。現有常規動力鋰離子電池的能量密度大多低于300 Wh/kg，已經逐漸接近材料體系本身的極限。因此，面向電動垂直起降飛行器、高端無人機等新興低空經濟應用對動力電池高比能、長續航的迫切需求，開發下一代高比能電池成為亟待解決的重大問題。

鋰硫電池具有非常高的理論能量密度，同時由于硫元素儲量豐富、成本低廉，被認為是有希望支撐未來高比能應用的重要電池體系。然而，鋰硫電池面臨著一個長期難題：硫在充放電過程中不是“一步到位”，而是一條“充滿許多中轉站的行車運輸路線”——需要經歷一系列復雜的中間反應，生成溶解于電解液的多硫化物和最終產物固體硫化鋰。

“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’，反應速度很慢。”論文共同第一作者、清華大學深圳國際研究生院2023級博士生高潤華說道。“因此，鋰硫電池穩定循環的難點不只是‘把硫留住’，而是要讓整個硫轉化路線更加有序、高效。”研究團隊強調，“中轉路線”越復雜，就越容易出現中間產物“跑偏”“反應堵車”“能量損失”等現實問題。這也是鋰硫電池長期面臨實際能量密度偏低、反應動力學遲緩和實用化困難的重要原因。

首次提出硫電化學“預分子介體”：

讓“沉睡待命”的活性分子被“現場喚醒”

針對這一挑戰，周光敏團隊原創性地提出硫電化學“預分子介體”概念，建立了一套“量子化學+機器學習”驅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分子介體——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。

團隊研究的核心，在于不只是“堵住”那些跑偏的中間產物，而是實現從“被動攔截”，轉變為從分子層面重新組織和調控硫轉化反應網絡。這便是團隊提出的硫電化學“預分子介體”概念的由來——使分子最初在電解液中處于“沉睡”狀態，只有進入硫反應現場后，分子才會被多硫化物原位“喚醒”，從而轉化為真正發揮作用的活性介體。

活化后的介體，通過動態分子間配位作用與多硫化物絡合形成低溶解度團簇，既能為防止多硫化物擴散“筑壩修堤”，將多硫化物限域在正極附近，又能激活快速電荷轉移通道，改變經典硫轉化路徑，為電化學反應修建“高速公路”。

2-氯嘧啶基預分子介體在多硫轉化反應前線的原位激活

量子化學+機器學習

“分子積木”助力功能分子智能設計

雖然有了這一高效介導機制，但很快團隊又發現了新的問題：如何進一步提升預分子介體的性能？

由此，團隊將目光投向了2-氯嘧啶的分子骨架，并開發了“量子化學+機器學習”智能分子骨架編程方法。

“一個功能分子的構筑過程，就像搭積木。”高潤華說道。“分子骨架就像積木拼搭的基礎底板，而側鏈官能團就像一塊塊‘積木’。不同積木的種類、大小、以及放在底板上的哪個位置，都會影響最終拼搭出的分子具有什么功能。”團隊構建了196種候選分子作為“積木搭建方案”，通過量子化學計算和機器學習篩選，最終找到了性能優異的預分子介體，賦予了鋰硫電池優越的電化學性能。

2-氯嘧啶基預分子介體數據庫的建立和特征工程分析

團隊表示，傳統的功能分子設計類似于憑經驗試著搭積木。“憑借經驗把這個積木換一下、位置改一下的方式，雖然也能找到一些有效分子，但效率相對較低，也不容易從中總結出普遍規律。”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行為，最終為搭建目標功能分子“畫出圖紙”。

在這一過程中，量子化學計算起到了重要作用，為研究團隊測量了每塊“積木”的物理化學性質。接著，團隊還通過機器學習從大量搭建方案中總結規律，掌握“積木搭建”的最佳方案。論文共同第一作者、深圳國際研究生院2023級碩士生祝伊飛充分發揮所長，主要負責計算化學、機器學習的切入，以及后期機理和數據的解析工作。

智能分子骨架編程設計2-氯嘧啶基硫電化學預分子介體

就這樣，團隊結合理論計算和人工智能驅動的可解釋機器學習模型，對預分子介體的元素組成和幾何構型進行了定向優化設計，最終篩選出的分子可顯著加速電池的反應動力學，使鋰硫電池在長循環測試中表現出優異穩定性，同時在14.2 Ah級軟包電池中實現了549 Wh/kg的高能量密度——這意味著，單位重量電池能夠儲存相比常規動力鋰離子電池更多的電能。

對于高端無人機、電動垂直起降飛行器等低空裝備來說，電池能量密度越高，就越有可能在有限重量下實現更長續航、更大任務半徑和更強載荷能力。若將該電池應用于無人機等低空飛行器，將有望顯著延長其單次續航時間和里程，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域的應用釋放更多潛力。

基于優選4-三氟甲基-2-氯嘧啶預分子介體的鋰硫電池電化學性能

未來，團隊希望將這套“積木搭建指南”拓展至有機液流電池正負極活性材料設計、鋰金屬電池溶劑分子設計、電池直接回收中的有機補鋰劑設計等前沿領域，進一步助力產業生態向智能化轉型，為推動新能源產業高質量發展提供關鍵技術支撐。

智能分子骨架編程策略在有機液流電池、鋰金屬電池、鋰空氣電池、失效鋰離子電池直接回收和復合相變材料界面設計上的潛在應用

18年電池領域長期攻關

迎來“適逢其時”的緣分

周光敏2014年博士畢業于中國科學院金屬研究所，師從成會明院士和李峰研究員，畢業后先后在美國德州大學奧斯汀分校和斯坦福大學開展博士后研究，于2019年博士后出站后加入清華SIGS。

從2008年底至今，周光敏與鋰硫電池的緣分已近18年，其團隊長期致力于解決硫轉化過程中的多硫溶解損失、穿梭效應以及動力學緩慢等方面的關鍵挑戰，推動鋰硫電池真正走向高比能、實用化體系。憑借在電化學儲能領域的持續深耕，周光敏于2025年入選斯坦福大學發布的全球前2%頂尖科學家“終身科學影響力排行榜”，并自2018年以來連續8年入選科睿唯安全球高被引學者（2025年入選材料科學、環境與生態兩個學科）。

周光敏

2020年，周光敏團隊開始在研究中發現人工智能能夠發揮的關鍵作用，便依托學院高度交叉的學科平臺，融入從事人工智能、數據科學與信息技術等學科交叉的師生科研團隊，共同攻克鋰硫電池方面的應用難題。

這項研究工作的發表，在周光敏看來，不僅是他和團隊近18年積累的結晶，也是一種“適逢其時”的緣分。

團隊表示，整個研究過程不是單一學科可以完成的工作。“一個分子從結構設計到反應機理、再到機器學習建模和軟包器件驗證，每一步都需要不同知識體系之間的銜接。我們團隊要真正讓這些環節不是‘簡單拼接’，而是圍繞同一個科學問題形成知識閉環。”高潤華說道。

從概念提出到反應機制解析，再到分子骨架編程策略和最終驗證，隨著研究的不斷深入，交叉學科團隊的作用也在不斷凸顯。將人工智能技術與鋰硫電池的核心難題有機結合的創新交叉舉措，正是助力團隊實現突破的關鍵因素之一。

團隊預判，人工智能將在研究中發揮越來越重要的作用。于是高潤華與祝伊飛一人負責實驗、一人專注理論計算，希望借助各種先進表征方法的同時融入量子化學與人工智能的力量，有效克服長期困擾該領域的諸多挑戰。經過長期積淀，團隊在材料設計、計算指導、性能優化到應用驗證等多個環節持續攻關，最終實現了器件綜合性能的突破。

不追熱點，但求本質

一位青年教師的長年堅守

在暢談中，周光敏的思緒回到了自己的學生時期。他的培養理念很大程度上受教于自己學生時期的課題組導師。現在他對學生說得最多的話就是：要養成良好的習慣、保持濃厚的興趣。“首先，不管是學習習慣、科研習慣還是生活習慣，都需要有堅持下去的毅力。科研本身或許難免讓人感到枯燥，但其過程中的發現和創新一定是有趣的，當迎來柳暗花明的那一刻時，定能感到一切都是值得的。”

周光敏師門合影

在教學中，周光敏始終要求自己，不落下任何一位同學，“只要他（她）對學習、科研、生活有追求目標，我都要盡我所能幫助同學們取得理想的結果，讓大家開開心心地入學、驕傲而自豪地畢業，不負研究生和博后階段的寶貴時光。”

周光敏經常對同學們說，發表頂刊從來都不是學術科研的終點，而是攀登科技高峰的另一個起點或研究的轉折點。“我們希望進一步推動課題組學科交叉融合，尤其是人工智能+電池方向，助推鋰硫電池早日實現大規模應用，為深圳市、粵港澳大灣區乃至全國的低空經濟和能源領域發展作出更大貢獻。”

在周光敏的悉心指導下，課題組自成立以來不斷涌現出優秀學生代表：3名同學獲評清華SIGS“學術新秀”并入圍清華大學研究生特等獎學金答辯，11名同學獲評研究生國家獎學金，3名畢業生獲評北京市優秀畢業生，5位學生畢業論文入選清華大學優秀碩/博士學位論文，多位學生以一作/共同一作身份在國際頂級期刊上發表學術論文，育人成果斐然。

在高潤華的印象中，周老師不會只問同學們實驗結果“好不好”，而是會反復追問這個結果“為什么重要”，和已有研究相比真正“新在哪里”。“周老師是一位具有前瞻性、也非常重視科學問題本質的導師。”高潤華說，面對研究工作中的種種不確定性，周老師會不斷地鼓勵同學們勇于發現規律、建立方法，在交叉融合中實現創新，把概念轉化為策略。同樣對此深有體會的祝伊飛，回想起與課題組共同攻關的經歷，不禁感慨道：“真正讓我覺得開心的，是某天深夜終于跑通了一段報錯了無數次的代碼或是一個新的模擬方法——這種喜悅比發表文章本身更讓我覺得踏實。”

做科研，既要有大膽提出新概念的勇氣，也要有把每一個證據鏈做扎實的耐心——這是同學們從周光敏身上學到的重要一課。一個好的科學故事，不是實驗數據結果的堆砌，而是圍繞一個核心問題層層推進，最后讓讀者看到從概念、機制到應用的必然性與重要性。祝伊飛說，在周老師的帶領下，來自不同專業背景的同學充分發揮各自的優勢，面對困難始終保持著一種“平和的執著”，敢于直面科研中的種種挫折。

周光敏（前排中）與課題組學生合影（三排右一、四排右一分別為高潤華、祝伊飛）

身為青年教師的周光敏坦言，許多年輕老師面臨著多方面的挑戰。也正因此，周光敏從一周的小目標到一個月、半年的中期規劃，乃至更長遠的目標，都始終保持清晰規劃，力求在每個不同的階段都能取得實質性突破。在科研上，他不斷追求“從0到1”的原始創新；在應用上，他帶領課題組從基礎研究向產業化邁進，致力于突破傳統技術瓶頸。他說，青年教師要團結一心，充分利用學院提供的學科交叉平臺和寶貴的師生資源，不斷攀登科技高峰，從實際應用中尋找和定義關鍵問題。

扎根粵港澳大灣區

與前沿領域和產業發展同頻共振

“深圳作為國民經濟主戰場之一，在無人機和低空經濟發展上也擁有得天獨厚的優勢。”周光敏團隊的研究領域，與粵港澳大灣區的產業發展需求深度契合。他認為，這項研究雖然取得了一定進展，但距離真正走向“貨架”、服務低空經濟還尚有發展空間，涉及工藝提升、器件優化等多個環節，而這也離不開更多的交叉創新型工程人才。

作為清華大學在中國南方的重要戰略組成部分，清華SIGS以國家戰略和粵港澳大灣區產業發展為牽引，前瞻布局“6+1”交叉學科集群，推動交叉創新研究。學院七個學科進入ESI全球前1%，其中材料學科進入前1‰。

借助這一高水平學科平臺，團隊將材料科學、電化學、人工智能、數據科學等領域深度融合，在AI+電池的交叉賽道上加速奔跑。未來，周光敏希望將應用中的關鍵挑戰融入人才培養體系，培養出既懂基礎研究、又能解決工程問題的復合型人才，持續為實現科技自立自強和國家的發展貢獻源源不斷的清華力量。

高潤華、祝伊飛為論文共同第一作者，周光敏為論文通訊作者。論文共同作者還包括清華大學深圳國際研究生院2025屆博士畢業生陶晟宇、2024屆博士畢業生韓志遠、2024屆碩士畢業生張夢天、2025屆碩士畢業生勞洲界和宋彥澤、2024級博士生宋林軒，以及清華大學深圳國際研究生院博士后李宏泰、助理研究員朱雁飛等。研究得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、深圳市科技計劃、廣東省創新創業團隊計劃的支持。

論文鏈接：

團隊相關研究成果

研究型論文

《自然》（Nature）

“硫電化學預分子介體的分子骨架編程”（Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry）

《自然-催化》（Nature Catalysis）

“機器學習輔助設計雙描述符用于解耦硫還原反應動力學中的電子和結構效應”（Machine-learning-assisted design of a binary descriptor to decipher electronic and structural effects on sulfur reduction kinetics）

《自然-通訊》（Nature Communications）

“基于機器學習的高能量鋰硫電池電催化材料設計”（Machine learning-based design of electrocatalytic materials towards high-energy lithium||sulfur batteries development）

《自然-通訊》（Nature Communications）

“數據驅動探索固態電解質中的弱配位微環境用于安全和高比能電池”（Data-driven exploration of weak coordination microenvironment in solid-state electrolyte for safe and energy-dense batteries）

《自然-通訊》（Nature Communications）

“通過固態電解質界面組學解碼單晶鋰生長”（Decoding single-crystal lithium growth through solid electrolyte interphase omics）

《國家科學評論》（National Science Review）

“通過電化學曲線指紋解析鋰金屬負極失效路徑”（Deciphering failure paths in lithium metal anodes by electrochemical curve fingerprints）

《焦耳》（Joule）

“基于硫氧化還原反應中局部化學環境的可變智能催化劑設計”（Variable and intelligent catalyst design based on local chemical environments in sulfur redox reactions）

《美國化學會會志》（Journal of the American Chemical Society）

“數據驅動理解鋰硫電池催化劑中的普適構效關系”（Data-Driven Insight into the Universal Structure–Property Relationship of Catalysts in Lithium–Sulfur Batteries）

綜述

《自然綜述-清潔技術》（Nature Reviews Clean Technology）

“人工智能賦能退役電池再利用、回收與再制造”（Artificial intelligence for battery reuse, recycling and remanufacturing）

《國家科學評論》（National Science Review）

“通過人工智能揭示電池電化學機制”（Uncovering battery electrochemical mechanisms by artificial intelligence）

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素材來源|科研團隊

采寫|葉思佳

題圖設計|肖瀟

鳴謝|材料研究院

審核|聶曉梅 林洲璐

排版|袁藝菱