高能量密度电池是电动汽车与大规模储能的核心需求。锂硫（Li–S）电池因其独特的16电子转移反应，理论能量密度可超500 Wh/kg，被视为极具潜力的下一代电池体系。然而，Li–S电池的实际应用面临严峻挑战：硫的转化反应（S8 → Li2Sn → Li2S）动力学缓慢、能垒高，且中间产物多硫化锂易溶解于电解液，引发“穿梭效应”，导致库伦效率低、循环寿命差。为解决上述问题，向电解液中引入分子介体以调控硫的氧化还原路径被证明是有效策略。现有研究多集中于开发与硫物种直接相互作用的功能位点（如含硒、碲等基团），而对承载这些位点的“分子骨架”的作用理解甚少。研究表明，骨架的组成与构型会显著影响功能位点周围的电子云分布，进而重塑介体与多硫化物之间的相互作用。因此，如何通过精确编辑分子骨架来实现对硫反应动力学的靶向调控，成为了电解液化学领域中一个极具前景但尚未被充分探索的前沿方向。
二、【创新成果】
基于此，清华大学周光敏副教授团队在Nature上发表了题为“Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry”的论文，提出将2-氯嘧啶（CPyr）作为一种潜在的“预分子介体”及分子骨架设计的模型材料，它能在硫反应过程中通过芳香亲核取代原位活化为分子介体，从而在电极上均匀诱导一个快速的氧化还原循环。通过结合量子化学与机器学习，研究人员开发了一种分子骨架编程策略，该策略阐明了侧链基团的电子、几何及位点特征与介导性能之间的构效关系，从而能够控制预介体的活化速率与介导活性。该策略从196个候选物中筛选出4-三氟甲基-2-氯嘧啶作为优选的预分子介体，使锂硫电池在800次循环中实现了81.7%的平均容量保持率，并在14.2 A时级别的软包电池中达到了549 Wh kg−1的能量密度。本研究关于分子骨架编程的工作有望在更广泛的有机化学空间中应用于功能分子的设计。
三、【图文解析】
图1 CPyr基预分子介体在多硫转化反应前线的原位激活 © 2026 Springer Nature
图2 智能分子骨架编程设计CPyr基硫电化学预分子介体 © 2026 Springer Nature
图3 CPyr基分子编程调控下的硫氧化还原行为 © 2026 Springer Nature
图4 基于优选4-三氟甲基-2-氯嘧啶预分子介体的锂硫电池电化学性能 © 2026 Springer Nature
四、【科学启迪】
综上，本研究针对锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”与反应动力学迟滞的瓶颈，原创性提出了“预分子介体”新概念。团队以2-氯嘧啶为模型，开发了“量子化学+机器学习”驱动的分子骨架编程策略，从196种候选分子中优选出4-三氟甲基-2-氯嘧啶。该分子可在电池内部原位激活，动态调控硫转化路径，使14.2 Ah软包电池能量密度达到549 Wh kg−1，800次循环容量保持率达81.7%。本研究不仅是锂硫电池领域的重要突破，更建立了一套普适性的功能分子设计方法。未来，该“分子积木”编程策略可拓展至有机液流电池、锂金属电池溶剂设计、退役电池直接修复等领域。通过将人工智能与电化学深度结合，有望加速从“经验试错”到“理性设计”的范式转型，为低空经济、大规模储能等场景提供更具针对性的高能电池解决方案。
原文详情：Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry (Nature 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-10505-8)
本文由赛恩斯供稿。
