高エネルギーリチウム硫黄電池によりドローン飛行距離を延伸 (Drones fly farther with high-energy lithium-sulfur battery from Tsinghua SIGS researchers)

2026-05-15 清華大学

清華大学深圳国際大学院(Tsinghua SIGS)の研究チームは、リチウム硫黄電池のエネルギー密度を大幅に向上させる新手法を開発した。研究成果は2026年5月に『Nature』へ掲載された。従来のリチウムイオン電池はエネルギー密度が300Wh/kg未満に近づき限界が見えていたが、研究チームは「プレメディエーター」と呼ばれる新規添加剤概念を提案し、硫黄反応中に生成されるポリスルフィド中間体を局所的に制御することで、反応効率を大幅に改善した。さらに量子化学計算と機械学習を組み合わせた分子骨格設計戦略により、最適分子「4-trifluoromethyl-2-chloropyrimidine」を特定した。その結果、14.2Ah級パウチセルで549Wh/kgという高エネルギー密度と800サイクル以上の安定性を実現し、ドローンの飛行時間延長や搭載能力向上が期待される。技術は有機フロー電池やリチウム金属電池、電池リサイクルへの応用可能性も示された。

高エネルギーリチウム硫黄電池によりドローン飛行距離を延伸 (Drones fly farther with high-energy lithium-sulfur battery from Tsinghua SIGS researchers)
Fig 1. In situ activation of 2-chloropyrimidine-based premediators at the front line of polysulfide conversion reactions

<関連情報>

硫黄電気化学における前媒介物質の分子骨格プログラミング Molecular skeleton programming of premediators in sulfur electrochemistry

Runhua Gao  (高润华),Yifei Zhu  (祝伊飞),Shengyu Tao  (陶晟宇),Mengtian Zhang  (张梦天),Zhoujie Lao  (劳洲界),Zhiyuan Han  (韩志远),Yanze Song  (宋彦泽),Hongtai Li  (李宏泰),Linxuan Song  (宋林轩),Xuan Zhang  (张璇),Yanfei Zhu  (朱雁飞) & Guangmin Zhou  (周光敏)
Nature  Published:06 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-10505-8

Abstract

Molecular mediators have demonstrated broad applicability in electrolyte chemistry of lithium–sulfur batteries, transforming sulfur conversion from traditional multiphase reactions to highly reactive pathways1,2,3,4,5,6. Despite tremendous efforts to elucidate the mechanistic roles of molecular mediators7,8,9, the influence of molecular skeleton regulation on their mediating effects remains barely understood. Here we propose 2-chloropyrimidine as a potential ‘premediator’ and a model material for molecular skeleton design, which can be in situ activated into a molecular mediator during sulfur reaction progression by means of aromatic nucleophilic substitution, homogeneously inducing a rapid redox loop over the electrode. Integrating quantum chemistry and machine learning, we develop a molecular skeleton programming strategy that illuminates the structure–property relationship between electronic, geometric and site features of side-chain groups and mediating performance, offering control over the activation rate and mediating activity of premediators. The strategy identifies 2-chloro-4-(trifluoromethyl)pyrimidine as a favourable premediator from 196 candidates, enabling lithium–sulfur batteries to achieve an average capacity retention of 81.7% over 800 cycles together with an energy density of 549 Wh kg−1 in a 14.2-Ah-level pouch cell. We expect that our work on molecular skeleton programming may find application in designing functional molecules in broader organic chemical spaces.

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