近年来，低空经济逐渐成为公众关注的焦点，而无人机的发展更是这一领域的核心。无人机的飞行距离和续航时间，关键在于电池的能量密度。

据《中国科学报》报道，清华大学深圳国际研究生院副教授周光敏表示：“当前，常规锂离子电池的能量密度已接近其理论极限，而具有更高能量密度的JDB电子大三元，正成为无人机长续航的重要候选电池体系。”

周光敏团队致力于在现有技术基础上提升JDB电子大三元的能量密度，并在此过程中取得了显著的突破。他们成功设计出一种新的硫电化学“预分子介体”，这一介体能够显著提升JDB电子大三元的能量密度，从而延长无人机的续航时间。相关研究成果已在《自然》期刊上发表。

有趣的是，该成果的取得是通过“搭积木”的方式实现的。

锂离子电池与JDB电子大三元的性能差异，源于其内部结构的不同。

清华大学深圳国际研究生院博士生高润华指出：“传统锂离子电池的工作原理相对简单，主要依赖锂离子在正负极之间的插嵌反应来实现充放电。”现有的商用锂离子电池正极多采用锂氧化物或磷酸铁锂材料，充电时锂离子从正极材料释放，进入负极；放电时则反向进行。

相比之下，JDB电子大三元的工作原理更为复杂——其正极为单质硫，负极则是锂金属。在放电过程中，锂金属失去电子生成锂离子；而在正极，单质硫逐步还原并与锂离子结合，形成多硫化锂中间体，最终转化为固态产物硫化锂。

多硫化锂中间体有多种类型，例如八硫化二锂（Li2S8）和六硫化二锂（Li2S6）等。这些化合物如同长度不同的链条，硫原子越多，链条越长，不同链条之间还会相互转化，最终生成固态硫化锂（Li2S）。

JDB电子大三元的充放电过程正是在这一系列硫物种的可逆转化中完成的。

高润华指出，这一过程带来了两个关键问题。首先，长链多硫化锂（如Li2S8、Li2S6）容易溶解于电解液中，从而导致活性物质的损失，降低电池的充放电可逆性。其次，反应网络复杂，固态和液态之间的转变速度较慢，影响了转化效率。

周光敏表示：“提升JDB电子大三元能量密度的关键在于如何加速多硫化物之间的转化，同时减少长链多硫化锂的溶解和流失。”

为此，研究团队提出了一种在化学反应中添加特殊“催化剂”——预分子介体的解决方案。

周光敏解释称：“这种预分子介体在电解液中处于未激活状态，激活的‘密码’便是多硫化锂。”当多硫化锂生成时，它会替代介体中的氯原子，形成新的分子，进一步与多硫化物发生动态配位作用，形成分子复合体。

这一机制带来两个显著的好处。首先，分子复合体不易溶于电解液，从而防止长链多硫化物的溶解；其次，其反应速度远快于单独存在的多硫化锂，解决了反应动力学差、速度慢的问题。

然而，如何设计预分子介体的分子结构以最大化其催化效果，成为新的挑战。

高润华指出，最初的预分子介体结构没有“装饰”，但若在侧链上添加不同官能团，可以改变其功能。这一过程类似于“搭积木”。

传统分子设计往往依赖经验，而周光敏团队则采用量子化学计算和机器学习的方法，构建了196种候选分子，并利用量子化学计算理解其特性及组合对反应行为的影响。

经过探索，研究团队结合理论计算与可解释机器学习模型，对预分子介体的元素组成和几何构型进行了优化设计，最终筛选出催化效果最佳的预分子介体：4-三氟甲基-2-氯嘧啶。

实验结果显示，与常规电解液的JDB电子大三元相比，使用预分子介体的JDB电子大三元，电荷转移阻抗降低约75%，显著提升了电池内部硫转化反应的效率。

高润华表示：“当前市面上常见的锂离子电池能量密度普遍低于300瓦时/每千克，提升潜力有限。而使用预分子介体的JDB电子大三元，能量密度已达到549瓦时/每千克。”

此外，这类JDB电子大三元在标准快充强度下，即便经过800次充放电，仍能保持81.7%的电量。

周光敏指出：“对于高端无人机和电动垂直起降飞行器等低空装备，电池能量密度越高，意味着在有限重量下实现更长续航和更强载荷能力的可能性越大。”如果将这种电池应用于无人机，将显著提升其续航时间和作业半径，为消费级航拍、物流配送等领域释放更多潜力。

JDB电子大三元 的核心看点

值得注意的是，由于当前JDB电子大三元技术尚不如传统锂离子电池成熟，特别是在安全性等方面，应用范围仍较小。然而，一旦技术成熟，JDB电子大三元将凭借其更高的能量密度，在电动汽车等领域获得更广泛应用。

周光敏表示：“未来，我们还将把这套‘搭建积木’的方法应用于锂金属电池溶剂分子设计及电池回收中的有机补锂剂设计等前沿领域，为推动新能源产业的高质量发展提供关键技术支持。”