锂硫电池因其理论能量密度高、硫元素储量丰富且成本低廉，被视为未来高比能应用领域极具潜力的电池体系。然而，在实际应用中，锂硫电池面临着一大难题：硫在充放电过程中的反应路径极为复杂，并非“一步到位”，而是要经历一系列中间反应，生成溶解于电解液的多硫化物以及最终产物固体硫化锂。这种复杂的“中转路线”极易导致中间产物“跑偏”、反应“堵车”以及能量损失等问题，严重制约了锂硫电池的性能提升。
针对这一挑战，清华大学深圳国际研究生院的周光敏团队取得了突破性进展。该团队原创性地提出了硫电化学“预分子介体”概念，并建立了一套由“量子化学 + 机器学习”驱动的智能分子骨架编程方案。通过这一创新方案，团队从196种候选分子中成功筛选出高性能的预分子介体——4-三氟甲基-2-氯嘧啶。
这种预分子介体的设计十分巧妙。在电解液中，它最初处于“沉睡”状态，只有当进入硫反应现场后，才会被多硫化物原位“唤醒”，进而转化为真正发挥作用的活性介体。这一特性使得电池反应能够更加精准、高效地进行，有效避免了中间产物的“跑偏”和反应“堵车”问题。
团队开发的“量子化学 + 机器学习”智能分子骨架编程方法，将196种候选分子视为“积木搭建方案”。通过量子化学计算和机器学习筛选，对预分子介体的元素组成和几何构型进行了定向优化设计。这种创新方法不仅提高了筛选效率，还确保了最终筛选出的预分子介体具有优异的性能。
实验结果表明，使用4-三氟甲基-2-氯嘧啶作为预分子介体的锂硫电池，电荷转移阻抗相比使用常规电解液的锂硫电池下降了75%，显著加速了硫转化反应动力学。同时，该电池在1C快充倍率下能够稳定循环800圈，容量保持率高达81.7%。在高硫载（28 mg / cm²）和贫电解液（3.4 mL/g）的严苛条件下，团队构筑的总容量为14.2 Ah的锂硫软包器件，能量密度达到了549 Wh/kg。这意味着单位重量的该电池能够储存比常规动力锂离子电池更多的电能，为锂硫电池的实际应用奠定了坚实基础。
相关研究成果以“硫电化学预分子介体的分子骨架编程”（Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry）为题，在线发表于《自然》（Nature）期刊。
