鋰硫電池因其理論能量密度極高，且硫元素儲量豐富、成本低廉，被視為未來高比能應用領域的理想電池體系。然而，在實際應用中，鋰硫電池卻面臨著一系列棘手難題。硫在充放電過程中并非直接轉化，而是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以及最終產物固體硫化鋰。這一復雜的“中轉路線”極易導致中間產物“跑偏”、反應“堵車”以及能量損失等問題，嚴重制約了鋰硫電池的性能提升。
針對這些挑戰，清華大學深圳國際研究生院副教授周光敏團隊取得了突破性進展。該團隊原創性地提出了硫電化學“預分子介體”概念，并建立了一套由“量子化學 + 機器學習”驅動的智能分子骨架編程方案。這一創新方案猶如搭建積木一般，從196種候選分子中精心篩選出高性能的預分子介體——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。
這種預分子介體具有獨特的工作機制。在電解液中，它最初處于“沉睡”狀態，只有當進入硫反應現場后，才會被多硫化物原位“喚醒”，進而轉化為真正發揮作用的活性介體。這種巧妙的設計有效避免了中間產物的“跑偏”和反應“堵車”問題，為鋰硫電池性能的提升開辟了新途徑。
團隊通過“量子化學 + 機器學習”的智能分子骨架編程方法，構建了包含196種候選分子的數據庫。借助量子化學計算和機器學習篩選技術，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4-三氟甲基-2-氯嘧啶，顯著改善了鋰硫電池的電化學性能。實驗數據顯示，使用該預分子介體的電池，電荷轉移阻抗相比使用常規電解液的鋰硫電池下降了75%，極大地加速了硫轉化反應動力學。同時，在1C快充倍率下，該電池能夠穩定循環800圈，容量保持率高達81.7%。
在面向實際應用的軟包器件驗證中，團隊在高硫載（28 mg / cm2）和貧電解液（3.4 mL/g）的嚴苛條件下，成功構筑了總容量為14.2 Ah的鋰硫軟包器件。該器件的能量密度達到了549 Wh/kg，這意味著單位重量的該電池能夠儲存比常規動力鋰離子電池更多的電能，為鋰硫電池的實際應用奠定了堅實基礎。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）。
