低挥发性砜基电解质可以使贫电解质锂硫软包电池更加稳定、高效，并提高其抗溶胀能力。二元砜体系，例如将TMS与TTE结合使用，可提供高于5 V的氧化稳定性，并将锂多硫化物的溶解度限制在约0.033 M。在电解质与硫的比值低于3 µL mg−1时，这种组合能够限制活性材料损失，使电压滞后保持在约0.22 V，并实现约98%的库仑效率。
其核心优势在于能够控制多硫化物化学行为，同时避免高挥发性醚类溶剂导致的软包溶胀。这些优势必须通过紧凑型软包电池中的受控组装、长期循环，以及对容量、效率、电压行为和溶胀情况的直接监测来验证。
贫电解质条件为何难以实现
贫电解质可减少非活性质量
较低的电解质与硫比值可以减少电池需要携带的液体量。这有助于提高实际能量密度，但也意味着可用于润湿电极和容纳溶解反应产物的电解质减少。
多硫化物溶解的影响更加显著
锂硫反应会生成可溶性锂多硫化物。当这些物质过度溶解时，可能在电极之间迁移，参与氧化还原穿梭反应，并减少能够保持可逆活性的硫含量。
在贫电解质条件下，由于电解质组成会在循环过程中发生显著变化，这一问题会进一步加剧。因此，电解质是电化学反应环境的一部分，而不仅仅是惰性的离子传输介质。
砜基电解质的优势
高氧化稳定性
二元砜电解质可以提供高于5 V的氧化稳定性。较宽的电化学稳定窗口能够支持硫正极运行中的高电压阶段，并降低电解质发生氧化分解的风险。
仅有电化学稳定性并不能保证较长的循环寿命。电解质还必须与锂金属、硫、多硫化物阴离子和多硫化物自由基保持兼容。
受限的多硫化物溶解度
以TMS为基础并配合TTE助溶剂的体系，可以将锂多硫化物的溶解度限制在约0.033 M。这种受控溶解度能够减少离开正极结构的活性硫物种数量。
降低溶解度还可以减少多硫化物迁移以及其在锂负极处引发的寄生反应。预期结果是，在反复充放电循环过程中更好地保持硫的利用率。
低电压滞后
采用这种电解质方案的贫电解质电池可以将电压滞后保持在约0.22 V。较低的滞后表明充电和放电电压曲线之间的差距较小，通常意味着极化降低、反应可逆性提高。
应结合容量保持率和倍率性能对这一指标进行评估。如果电压差在老化过程中显著增大，仅有较低的初始滞后是不够的。
高库仑效率
当电解质与硫的比值低于3 µL mg−1时，报道的库仑效率可达到约98%。这表明循环过程中传递的大部分电荷都能在放电时恢复，同时由穿梭反应和其他寄生过程造成的损失较少。
对于锂硫电池，必须在多个循环周期内持续跟踪效率，而不能只报告最初几个循环的数据。较小的效率损失可能会累积，最终造成显著的活性材料和锂库存损失。
减少软包电池溶胀
与常用的醚类溶剂相比，砜类物质具有较低的挥发性。这可以减少溶剂蒸发，以及长期循环过程中可能导致软包膨胀的挥发性物质积累。
低挥发性并不能消除所有溶胀机制。化学或电化学副反应仍可能产生气体，因此必须在循环过程中直接测量溶胀情况。
如何测试这些优势
构建紧凑且可重复的软包电池
测试首先要从一致的软包电池制造开始。使用电极压制设备控制电极厚度、密度和接触状态，同时保持紧凑的电池结构。
不同电解质配方之间应保持组装变量一致，包括硫载量、隔膜类型、锂金属过量程度、电解质体积、电极压力和软包尺寸。否则，差异可能会被错误地归因于电解质化学性质。
准确计量电解质
贫电解质性能的判断依赖于精确的电解质添加量。电解质与硫的比值应根据测得的电解质体积和活性硫质量进行计算：
[ E/S = \frac{\text{电解质体积}}{\text{硫质量}} ]
必须明确标注单位，通常为µL mg−1，并且硫质量应反映被测试电极中的实际硫载量。
在受控条件下封装软包
使用真空封装设备去除多余顶空，并形成紧凑的软包结构。受控封装可以减少残留气体体积的差异，使后续溶胀测量更具意义。
循环前应检查软包是否漏液或漏气。泄漏会改变电解质含量和内部压力，使电池之间的比较失去有效性。
使用自动化电池测试仪进行循环
自动化电池测试平台可以在较长时间内执行受控的充放电方案。所得数据应包括：
- 放电容量和充电容量
- 库仑效率
- 电压滞后
- 容量保持率
- 充放电电压曲线
- 失效事件或异常电压事件
对于每种电解质配方，测试应使用相同的电流倍率和电压限制。长期循环尤为重要，因为多硫化物迁移、锂负极劣化和电解质分解会随荷电状态和循环次数而变化。
监测循环过程中的溶胀
应直接评估抗溶胀能力，而不能仅通过电化学数据推断。实际测量方法包括定期测量软包厚度、尺寸变化、质量变化，或在规定测量方案下观察与压力相关的变化。
测量应在一致的荷电状态和温度下进行。在相同条件下将砜基电池与含挥发性醚类电解质的电池进行比较，有助于更清晰地分离封装和挥发性方面的优势。
测量多硫化物和电化学行为
可以通过在多硫化物中暴露后对电解质进行分析，或在电池老化过程中进行分析，来研究其所宣称的溶解度控制效果。随后可通过电化学测量将化学溶解行为与电池性能联系起来。
阻抗分析、电压曲线比较和效率跟踪有助于判断性能损失是否源于极化增加、界面劣化、穿梭反应或活性硫损失。
了解其中的权衡
降低挥发性并不能解决所有安全问题
砜基电解质可以减少与挥发性相关的溶胀，但锂硫电池仍含有活泼的锂金属和化学性质活跃的多硫化物物种。锂枝晶生长以及负极处的寄生反应仍然是相关风险。
因此，评估电解质时不仅要关注氧化稳定性和蒸气压，还必须评估其与锂的兼容性。
受限的溶解度可能影响反应传输
抑制多硫化物溶解有助于防止穿梭行为，但硫的转化仍需要足够的离子传输和电极润湿能力。在贫电解质条件下，黏度过高或与多孔正极兼容性较差的电解质可能会增加极化。
电解质的选择应在溶解度控制与电导率、润湿性、隔膜兼容性及反应动力学之间取得平衡。
软包测试对制造差异十分敏感
电极压实程度、电解质分布、封装方式或堆叠压力的细微差异，都可能导致锂硫性能发生明显变化。单个成功的软包电池并不能证明某种电解质具有可靠优势。
必须使用多个重复电池和一致的组装流程，才能区分化学性质影响与制造差异。
液态和固态策略解决的是不同问题
固态电解质可以从物理上抑制多硫化物溶解，并有助于阻止枝晶形成，但其需要高压压实，并且必须仔细构建低电阻的固-固界面。
因此，在贫电解质软包电池研究中，固态电解质属于另一条研发路径，不能直接替代低挥发性液态电解质。
根据目标做出正确选择
有用的评估应当将电解质所宣称的优势与可测量的软包电池结果相匹配。
- 如果主要关注贫电解质能量密度：在低于3 µL mg−1的E/S条件下比较电池，同时控制硫载量、电解质添加量和电极压实程度。
- 如果主要关注循环寿命：在长期自动化循环过程中跟踪容量保持率、库仑效率、电压滞后和阻抗。
- 如果主要关注软包安全性和封装稳定性：采用受控真空封装，并定期测量软包厚度、尺寸或与压力相关的溶胀情况。
- 如果主要关注多硫化物管理：将电解质溶解度分析与电压曲线、效率以及循环后界面表征结合起来。
- 如果主要关注极端温度或高倍率性能：增加环境试验箱测试，并在目标温度和倍率范围内测量容量、放电曲线和功率特性。
当低挥发性砜基电解质的化学稳定性、多硫化物控制能力和减小溶胀的效果，能够在实际的贫电解质条件下转化为可重复的软包电池性能时，它才真正具有价值。
总结表：
| 优势 | 描述 |
|---|---|
| 高氧化稳定性 | 在高于5 V时保持稳定，防止电解质分解。 |
| 受限的多硫化物溶解度 | 将溶解度限制在约0.033 M，减少活性材料损失。 |
| 低电压滞后 | 保持约0.22 V的电压差，表明极化较低。 |
| 高库仑效率 | 效率约为98%，最大限度减少副反应。 |
| 减少软包溶胀 | 低挥发性可防止气体积累和软包膨胀。 |
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