Недавно команда Чжоу Гуанминя из Шэньчжэньского международного института выпускников Университета Цинхуа в Шэньчжэне, провинция Гуандун, Китай, совершила прорыв в области литий-серных аккумуляторов, результаты которого были опубликованы онлайн в журнале «Nature». Команда использовала концепцию дизайна «молекулярных блоков» и с помощью технологий квантовой химии и машинного обучения разработала литий-серный аккумулятор с высокой удельной энергией.

Плотность энергии обычных литий-ионных аккумуляторов приблизилась к теоретическому пределу, и литий-серные аккумуляторы, благодаря своему преимуществу в теоретической плотности энергии, рассматриваются как основная кандидатная система для обеспечения длительного полета беспилотников и развития низковысотной экономики. Однако индустриализация литий-серных аккумуляторов сдерживается такими проблемами, как сложный путь превращения серы и медленная кинетика реакций. Традиционный молекулярный дизайн опирается на эмпирический метод проб и ошибок, что крайне неэффективно. Команда Чжоу Гуанминя предложила новую концепцию «предмолекулярного медиатора» в электрохимии серы и создала интеллектуальную схему программирования молекулярного каркаса, управляемую связкой «квантовая химия + машинное обучение».

Исследовательская группа с помощью квантово-химических расчетов определила физико-химические характеристики молекул, а с помощью машинного обучения выбрала оптимальное решение из 196 молекулярных комбинаций, в итоге остановившись на 4-трифторметил-2-хлорпиримидине в качестве высокоэффективного предмолекулярного медиатора. Этот материал является «ожидающим активации» молекулярным предшественником, который может быть активирован на месте полисульфидами непосредственно в процессе работы аккумулятора, превращаясь в активную молекулу, перестраивая путь превращения серы и ускоряя кинетику реакции. Экспериментальные данные показывают, что этот предмолекулярный медиатор позволяет снизить сопротивление переносу заряда в аккумуляторе на 75%, а созданный на его основе литий-серный аккумулятор демонстрирует повышенную плотность энергии, что может эффективно увеличить продолжительность полета беспилотников. Это исследование преодолевает ключевое технологическое узкое место литий-серных аккумуляторов, предлагая совершенно новые идеи и технические пути для развития таких областей, как низковысотная экономика, накопление новой энергии, а также для проектирования и разработки аккумуляторов следующего поколения с высокой удельной энергией.