科技日报记者 华凌
无人机如何飞得更远、续航更久，一直是低空经济发展路上绕不开的难题。飞行器续航能力与动力电池的能量密度紧密相关。如今，传统锂离子电池的能量密度已经接近材料体系本身的极限，要实现进一步突破，存在较大困难。
清华大学深圳国际研究生院副教授周光敏团队提出硫电化学预分子介体概念，用量子化学结合机器学习的方式研发新型锂硫电池，大幅提高电池续航能力，为破解低空装备续航难题找到了新路径。相关成果近日刊发于国际学术期刊《自然》。
充放电流程复杂
锂硫电池自带先天优势，是业内公认最适合长续航飞行器的新一代电池体系之一。
目前市面上主流的锂离子电池，能量密度普遍低于每千克300瓦时，经过多年技术打磨，各项性能已经十分接近材料本身的极限，想要再实现大幅度提升难度极大。而锂硫电池是以金属锂为负极、单质硫为正极的二次电池，依靠独特的反应原理，拥有超高的理论能量密度。此外，锂硫电池的核心原料硫，在自然界储量庞大、价格低廉，既能满足高端无人机、低空飞行设备的轻量化需求，又能有效控制生产成本，发展潜力大。
然而，即便颇有优势，锂硫电池落地也面临巨大挑战。
论文共同第一作者、清华大学深圳国际研究生院博士生高润华介绍，传统锂离子电池的运行原理十分简单，充放电过程只是锂离子在正负极之间来回移动，过程平稳单一。但锂硫电池完全不一样，它的充放电流程十分复杂。
高润华说，锂硫电池放电时，负极锂金属发生氧化反应产生锂离子，正极的单质硫则会一步步发生还原反应，接连生成多种不同的多硫化锂中间体，最后才形成固态硫化锂。这整个过程要经历从固态到液态再到固态的多次状态转变。
复杂的反应流程直接催生两大棘手问题。长链结构的多硫化锂极易溶解在电解液当中，在电池内部四处流动，造成电池内部有效原料不断流失，久而久之电池储电能力直线下滑；同时，整套反应流程环节繁多，就像一条站点密集的路线，不少反应步骤进度缓慢，极易出现“卡顿停滞”的情况，这不仅使反应效率大打折扣，还会造成大量电量白白损耗。
在日常实际使用的严苛条件下，电池内部出现的各类问题还会进一步加剧。高润华介绍，锂硫电池的最大弊端不在材料自身，而是整套反应体系都需要统筹调整优化，这也是长久以来行业难以攻克的核心难题。
新方法提升反应效率
面对锂硫电池的落地难问题，科研团队从分子层面入手大胆创新，走出了一条智能化研发的新道路。
以往，科研人员大多只是想方设法阻挡多硫化物随意流动，但这种做法治标不治本，很难从根源上提升电池反应效率。“这项研究的核心思路，不是简单地‘堵住’多硫化物，也不是只加快某一个反应步骤的速度，而是希望从分子层面主动介入并重塑锂硫电池内部复杂的硫转化路径。”周光敏说。
研究人员首次提出硫电化学预分子介体理念。可以把预分子介体理解为一种在电解液中“待命”的功能分子。它在普通状态下相对稳定，进入硫反应前线后，会被多硫化物原位“唤醒”，转化为真正参与硫转化调控的活性介体。
被激活后，这一活性介体可以发挥双重关键作用：一方面，通过动态分子间配位作用与多硫化物结合形成低溶解度团簇，相当于在正极附近“筑坝修堤”，将多硫化物牢牢束缚在正极一侧，避免其随意流动流失；另一方面，激活更快速的电荷转移通道，相当于为硫转化反应修建“高速公路”，让繁琐的转化流程变得顺畅高效。
那么，如何设计出最合适的预分子介体？
周光敏打了个比方：“研发合适的功能分子，其实就跟小孩子搭积木是同一个道理。分子骨架就相当于搭建积木用的基础底板，各式各样的官能团就是不同样式的小积木块。”
以往，科研人员研发新分子，大多依靠自身多年积累的经验反复尝试更换结构，不仅耗费大量时间精力，还很难总结出通用的研发规律，研发效率十分低下。为了改变这一状况，团队构建出包含196种不同分子骨架结构的候选分子样本库。
“我们借助量子化学技术，精准摸清每一种分子结构本身的特性，再利用机器学习技术，从海量的搭配方案当中梳理总结经验规律，摸索出最优组合方式。”高润华说。
经过层层筛选比对，团队最终敲定4-三氟甲基-2-氯嘧啶为最优预分子介体。实测数据显示，搭载全新预分子介体的锂硫电池，电荷转移阻抗下降75%，内部反应速度实现质的飞跃。在常规快充模式下，电池反复充放电800次之后，依旧能够保留81.7%的储电容量。团队研制出的锂硫软包电池，能量密度更是达到每千克549瓦时，远超传统锂离子电池。
规模化量产仍需时日
此次锂硫电池技术的突破，挖掘出高能量密度电池的发展潜力。
当前，低空经济迎来飞速发展期，航拍测绘无人机、城乡物流配送无人机、野外电力巡检飞行器等各类低空设备层出不穷，而这类设备全都依赖轻量化、长续航的动力电池。新型锂硫电池凭借超高能量密度，能够在不增加设备负重的前提下，有效拉长飞行器飞行时长、拓宽飞行范围，还能提升设备承载能力，全方位提升各类低空作业的工作效率。
放眼未来，随着技术不断打磨完善，这款高性能锂硫电池有望逐步推广应用到新能源汽车、户外特种供电设备、大型储能电站等诸多领域，全方位助力新能源产业升级。
不过，高润华也表示，目前这项前沿技术依旧处在实验室成果验证阶段，要走进工厂实现规模化量产，正式投入大众市场使用，还有不少亟待攻克的现实难题。
一是生产工艺难以兼容适配。如今锂电池生产行业已经拥有成熟完整的制作流程，而新型锂硫电池的内部结构、制作工序和传统电池差异较大，很难直接沿用现有生产线进行批量生产，需要重新研发适配的制作工艺，调整生产流程。
二是电池材料配比上依旧需要持续优化。当前锂硫电池为保障导电性能，会添加大量导电材料，在无形中增加了电池耗材用量，如何精简配料、平衡各项性能，也是后续研发需要重点攻关的方向。
三是电池各项性能仍需全面验证。电池在长期使用过程中的安全稳定性、极端高低温环境下的使用性能，都还需经过大量反复测试验证。只有把各项细节问题全部完善到位，才能让新型锂硫电池安全稳定地走向市场。
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