3D 碳框架和液态多硫化物正极电解液通过将致密粉末层替换为渗透式导电多孔网络，解决了高硫负载问题。 溶解的多硫化物（如 Li₂S₈）可以流入多壁碳纳米管（MWCNT）纸、碳纳米纤维网络和石墨烯海绵的孔隙中，从而改善电解液的可达性和活性材料分布。在对多孔结构和加工条件进行严格控制的前提下，该方法已实现高达 18.1 mg/cm² 的硫负载和接近 20 mAh/cm² 的面容量。
核心要点： 液态正极电解液解决了渗透问题，而 3D 碳框架解决了导电性、约束能力和机械稳定性问题。只有当电极在整个厚度方向上保持相互连通的离子和电子传输通道时，高硫负载才具有实际意义。
传统高负载电极为何面临困难
厚硫层受到传输限制
提高硫负载通常需要增加正极厚度。在传统粉末型电极中，电解液可能无法有效渗透整个厚度，导致富硫区域未得到充分利用。
这造成了名义硫负载与电化学可接触硫之间的差距。电极可能含有大量活性材料，但由于离子和电子无法高效到达所有活性材料，其面容量仍然较低。
硫和 Li₂S 具有电绝缘性
单质硫及其放电产物，尤其是 Li₂S₂ 和 Li₂S，导电性较差。因此，高负载电极需要连续的导电碳接触，而不是仅将孤立的碳颗粒混入致密硫层中。
随着硫含量提高到实现高锂硫电池能量密度所需的水平，这一挑战会更加严重。过量的非活性碳或粘结剂虽然可以改善传输，但会降低电极的实际能量密度。
多硫化物可能溶解并发生穿梭
在工作过程中，中间态锂多硫化物会溶解到电解液中。它们在正极和负极之间迁移，即多硫化物穿梭，会导致活性材料损失、自放电和库仑效率下降。
因此，高负载结构必须同时提供传输通道以及足够的物理或化学约束能力。
3D 碳框架如何解决结构问题
构建连续的电子传导骨架
MWCNT 纸、碳纳米纤维网络、石墨烯海绵及相关气凝胶能够在正极厚度方向上形成相互连通的导电通道。
与仅依靠硫粉和碳颗粒之间点对点接触相比，这种方式更加有效。即使硫转化为不同的放电产物，该框架仍能保持电接触。
提供相互连通的电解液传输孔道
高孔容框架能够让电解液进入电极内部区域，而不是主要停留在表面。
由此形成的较短离子扩散距离有助于降低厚正极通常面临的传输代价。然而，在活性材料负载和机械压实之后，孔道网络仍必须保持开放。
适应体积变化
硫的还原会引起固相组成和电极体积的变化。柔性碳网络能够吸收部分机械变化，同时保持活性材料与导电骨架之间的接触。
当石墨烯和 CNT 基结构被设计成机械互连的整体，而不是简单混合的彼此分离的导电添加剂时，其作用尤其明显。
将多硫化物限制在电极内部
介孔和狭窄的相互连通通道能够物理 удерж留溶解的多硫化物，减少其迁移到主体电解液中。
这种约束并非绝对有效，孔径、表面化学性质、电解液用量和循环条件都会影响穿梭效应的抑制效果。该框架可以改善多硫化物的封存，但并不能消除对适当电解液和电池设计的需求。
液态多硫化物正极电解液如何改善活性材料分布
溶解的活性材料能够渗入框架
与试图将干燥硫颗粒分散到厚多孔电极中的方法不同，多硫化物正极电解液可以液态溶液的形式引入。
溶解的 Li₂S₈ 等物质能够分散到碳框架的孔隙中，到达干燥粉末难以有效接触的内部表面，从而直接解决制造过程中的渗透不足问题。
碳表面成为反应界面
渗透过程使含硫物种靠近导电碳骨架。较大的内部表面积提供了更多电子转移和后续硫转化反应的位置。
其优势并不只是表面积更大，关键因素是可利用表面积，即在循环过程中仍能被电解液接触并与电子网络保持连通的孔隙。
在不形成不透水粉末床的情况下实现高负载
在干硫加工过程中，提高负载通常会形成阻碍电解液移动的致密层。液态渗透能够更均匀地向框架中负载活性材料，同时保留更大比例的原始孔隙连通性。
这使得在不完全依赖极端压实或大量导电添加剂的情况下，实现高面负载成为可能。
为什么两者结合比单独采用任一方法更有效
仅有碳框架并不足够
多孔碳支架可能具有出色的导电性和电解液可达性，但如果其中的硫含量不足，其实际容量仍然有限。
液态正极电解液将含硫活性材料输送到支架的各个区域，使框架的孔容和内部表面积得到更充分的利用。
仅有液态正极电解液也不足够
溶解的多硫化物可以改善分布，但如果没有导电且机械稳定的主体，它们可能无法形成良好的电子连接，或迁移到电解液中。
3D 碳结构提供了有效转化渗透材料所需的物理支撑、电子通道和部分多硫化物约束能力。
该结构关注面性能，而不仅是质量比性能
锂硫电池的工作电压约为 2.1 V，低于许多传统锂离子电池的电压。因此，实用的高能量设计需要较高的硫负载和较高的面容量，而不仅仅是具有吸引力的单位质量硫容量。
在适宜的实验室结构中，液态正极电解液渗透与 3D 碳主体相结合，已实现高达 18.1 mg/cm² 的硫负载和约 20 mAh/cm² 的面容量。
制造过程必须保持设计好的结构
浆料或正极电解液的制备必须均匀
无论是制备含碳浆料还是液态多硫化物配方，混合过程都必须避免团聚和浓度梯度。
高剪切实验室混合器有助于分散 CNT、石墨烯、含硫物种和粘结剂。混合不充分可能形成局部富碳区、富硫区或润湿不足区域。
涂布和渗透必须控制面负载
均匀沉积或渗透至关重要，因为面容量直接取决于单位面积上的硫含量。
对于涂布结构，精密刮刀涂布或狭缝模头涂布可以控制厚度和面负载。对于自支撑框架，关键变量包括正极电解液吸收量、干燥行为以及硫在支架内部的最终分布。
压制必须平衡接触和孔隙率
受控压制可以改善界面接触并降低接触电阻。然而，过度压实会堵塞孔隙，重新造成 3D 框架原本要解决的电解液渗透问题。
因此，应使用实验室辊压机、压片机或其他受控压制系统，以达到规定的厚度和密度，而不是不加区别地施加最大压力。
干燥和热处理需要谨慎
气凝胶和石墨烯基框架在干燥过程中可能发生孔隙坍塌。在负载活性材料或组装电池之前，需要进行受控干燥，以保持孔容和结构完整性。
如果制造工艺包含热转化或后处理，还必须控制温度和气氛，以避免损坏碳网络或改变含硫化学物质的化学性质。
理解其中的权衡
增加碳含量可以改善传输，但会降低活性材料比例
CNT、石墨烯和多孔碳能够改善导电性和多硫化物管理，但相对于硫而言，它们属于电化学非活性材料。过量碳会降低活性材料比例，并可能降低实际能量密度。
因此，目标不是获得最大的表面积，而是在仍能提供足够传输、约束和机械支撑的前提下，使用最少的导电框架。
高比表面积碳可能使加工更加复杂
先进碳材料通常会增加浆料黏度和团聚倾向。它们可能还需要更多粘结剂，在难处理配方中有时高达约 10 wt.%，这会进一步降低活性材料含量，并使均匀涂布更加困难。
对于更具可扩展性的加工，碳材料混合物和较低的粘结剂含量（在所述方法中通常约为 3–6 wt.%）可以在分散质量和能量密度之间实现折中。
液态加工并不能消除电解液管理限制
液态多硫化物正极电解液能够改善活性材料的布置，但最终电池仍需要足量电解液来实现离子传输，同时避免电解液质量过高。
只有将硫、碳、电解液和电极厚度结合起来评估，高硫负载才具有实际意义。如果使用了过多非活性材料或电解液，即使电极具有较高面容量，电池层面的实际能量密度仍可能较低。
压制既可以改善性能，也可能损害性能
适度压实可以增强接触并改善结构均匀性。过度压制会减少孔容、限制离子移动，并可能使非活性区域被困在电极内部。
正确的目标是获得具有相互连通孔隙的机械稳定电极，而不是尽可能致密的薄片。
实验室结果可能无法直接转化为制造工艺
自支撑气凝胶和特殊的正极电解液渗透框架可以实现出色的负载和容量，但可能需要受控组装、专门的干燥工艺以及经过精心优化的电池条件。
可扩展生产还必须解决涂布均匀性、操作强度、粘结剂含量、生产效率以及更大电极面积上的可重复性问题。
根据目标做出正确选择
合适的设计取决于优先目标是最大面容量、可扩展制造，还是基础传输性能。
- 如果主要关注最大硫负载： 使用高孔容 3D 碳框架和液态多硫化物渗透，使活性材料分布在整个电极内部，而不是形成致密的干粉层。
- 如果主要关注离子传输： 在干燥、负载和压制过程中保持介孔相互连通，并避免阻碍电解液进入的压实操作。
- 如果主要关注电子导电性： 构建连续的 CNT、碳纳米纤维或石墨烯骨架，使整个电极厚度方向上都具有稳固接触。
- 如果主要关注多硫化物保持： 使用相互连通的多孔碳结构对多硫化物进行物理约束，同时认识到电解液组成和电池设计仍然十分重要。
- 如果主要关注可扩展制造： 优先采用均匀的浆料或正极电解液制备、精密涂布或渗透、受控粘结剂含量以及可重复的压制条件。
- 如果主要关注实际能量密度： 综合优化硫含量、碳用量、粘结剂水平、电极密度和电解液用量，而不是最大化任何单一参数。
核心设计原则是：只有当电极能够保持连续的电子通道、可接触的离子孔隙和稳定的多硫化物约束能力时，才逐步提高硫负载。
总结表：
| 挑战 | 传统电极 | 3D 碳框架 + 液态正极电解液 |
|---|---|---|
| 硫负载 | 受致密粉末层限制 | 通过渗透实现高达 18.1 mg/cm² 的高负载 |
| 离子传输 | 电解液渗透不充分 | 相互连通的孔隙改善离子可达性 |
| 电子导电性 | 绝缘性硫需要更多碳 | 连续碳框架确保电子传输通道 |
| 多硫化物穿梭 | 活性材料损失 | 介孔中的物理约束 |
| 体积变化 | 机械应力 | 柔性网络适应膨胀 |
| 面容量 | 较低（<5 mAh/cm²） | 最高可实现 20 mAh/cm² |
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