超高浓度“盐包溶剂”电解质可以显著提高锂硫电池的稳定性，但需要以离子传输性能和加工便利性为代价来换取电化学控制能力。 当DME:DOL中的LiTFSI浓度接近7 M时，多硫化物的溶解度几乎可以忽略不计，锂金属稳定性得到改善，Li⁺迁移数可以达到约0.73。这些优势有助于实现较高的库仑效率和倍率性能，但黏度可能升高至约72 cP，使电解质润湿、渗透和电池组装明显更加困难。
核心权衡关系很明确：高盐浓度能够抑制多硫化物穿梭并改善界面稳定性，但其高黏度会减缓电解质传输，并使正极和隔膜的润湿更加复杂。因此，电池制造必须控制正极孔隙率、孔道连通性、电解质量以及渗透质量，而不能只关注电极组成。
超高浓度电解质为何能改善锂硫电池性能
多硫化物溶解受到强烈抑制
在硫还原过程中，可溶性锂多硫化物会在硫正极与锂负极之间迁移。这种多硫化物穿梭会导致自放电、活性物质损失、副反应以及库仑效率下降。
盐包溶剂配方通过改变电解质的溶剂化环境，降低多硫化物的溶解度和扩散率。由于可用的游离溶剂减少，液相中保持可移动状态的多硫化物种类也会减少。
锂金属稳定性得到改善
改变后的溶剂化结构有利于在锂金属表面形成保护性界面相。这些界面相可以减少有害的电解质反应，并有助于限制促进不稳定锂沉积的条件。
与稀醚类电解质相比，其结果通常表现为更高的库仑效率，以及与锂金属负极更好的兼容性。
更高的Li⁺迁移数可以降低浓差极化
接近0.73的Li⁺迁移数意味着，与反离子相比，有更大比例的离子电流由锂离子承载。这可以降低运行过程中的浓度梯度，并促进更加均匀的离子传输。
在设计良好的测试电池中，多硫化物迁移受到抑制与有利的离子传输相结合，可以实现较高的库仑效率和最高约3 C的倍率性能。
电化学稳定性也可能得到改善
高盐浓度会改变参与电极界面反应的溶剂和阴离子种类。这可以降低溶剂挥发性，有助于限制铝集流体腐蚀，并促进保护性界面相的形成，其中包括与酰亚胺阴离子分解相关的富含氟化锂组分。
这些效应可以扩大实际运行稳定范围，但实际收益取决于电极材料、电压限制、添加剂、温度和界面条件。
性能损失体现在哪些方面
黏度会减缓电解质运动
最直接的代价是黏度显著增加。接近72 cP的黏度远高于许多传统稀电解质。
高黏度会减缓电解质在隔膜和硫复合电极中的扩散，也会使电解质更难渗入正极内部尺寸较小或连通性较差的孔道。
离子电导率可能下降
增加盐含量并不能无限提高传输性能。超过最佳浓度后，离子间相互作用增强，加之游离溶剂减少，可能导致离子电导率下降。
因此，较高的Li⁺迁移数并不自动意味着较低的整体传输阻力。迁移数、离子电导率、黏度和有效扩散率描述的是电解质行为的不同方面。
高电流性能可能受到传输限制
在较高电流密度下，正极需要通过隔膜和多孔硫载体快速获得锂离子。电导率较低、扩散较慢的黏性电解质可能产生更强的浓差极化。
这可能降低可利用的硫利用率和倍率性能，尤其是在正极较厚、较致密、载量较高或润湿不足时。
7 M浓度并不一定是最佳浓度
7 M配方可能最大程度地抑制多硫化物，但不一定能够使电池的实际性能达到最大。最佳浓度取决于穿梭效应控制与传输阻力之间的平衡。
因此，电解质浓度应被视为电池设计变量，而不是孤立的材料规格。
电解质如何改变电池制造
正极孔隙率成为影响性能的关键参数
硫正极必须提供足够的连通孔体积，以便电解质进入，同时还要保持足够的电子电导率和活性物质载量。
如果电极压制得过于致密，高黏度电解质可能无法到达硫复合电极内部。即使电解质化学性质本身有效，电池仍可能表现出较差的动力学性能或较低的硫利用率。
均匀压制至关重要
实验室压制应使正极片在整个区域内保持一致的厚度、密度和孔结构。局部差异可能形成过度压实的区域，使其在组装后实际上处于干燥状态。
目标并不是最大程度压实，而是实现受控压实，同时保留有利于高黏度电解质渗透的连通通道。
隔膜润湿需要更多时间和控制
与稀电解质相比，黏性电解质的铺展和渗透速度更慢。隔膜润湿不充分可能导致局部电阻升高、电流分布不均以及具有误导性的较差循环结果。
研究人员可能需要控制电解质滴加方式、静置或浸润时间、组装压力，以及叠片和封装的顺序。这些参数应在对比实验中保持标准化。
电解质量必须与孔体积相匹配
电解质过少可能导致正极或隔膜部分区域润湿不足。电解质过多会增加非活性质量，并可能削弱锂硫电池在实际重量能量密度方面的优势。
适当的电解质量必须考虑正极孔体积、隔膜吸液量以及配方更高的黏度。如果渗透不充分，仅采用名义上的电解质与硫质量比是不够的。
电池封装与操作变得更加重要
高浓度电解质的原材料成本更高，因此泄漏和组装浪费会带来更严重的后果。扣式电池压封及其他密封工艺必须在不扰乱电池堆叠结构或造成压力不均的情况下，制备出可靠且无泄漏的电池。
在受控气氛手套箱内组装仍然十分重要，因为锂金属和对水分敏感的电解质组分暴露于空气后可能发生劣化。
诊断与制造相关的性能损失
区分化学因素与润湿因素
容量或倍率性能不佳并不一定意味着盐包溶剂配方不适用。问题可能源于正极渗透不充分、浸润时间不足、电极密度过高或隔膜润湿不良。
一种有效的对比方法是在保持正极结构和组装工艺不变的同时，分别改变电解质浓度和渗透条件。
监测阻抗和极化
组装后或循环过程中阻抗增加，可能表明润湿不足、传输受限、界面反应或锂负极不稳定。倍率测试和电化学阻抗测量有助于区分这些影响。
自放电和弛豫行为同样具有参考价值，因为多硫化物迁移受到抑制后，静置期间的容量损失应当减少。
控制测试过程中的温度
黏度和离子传输具有温度依赖性。在不同温度下进行测试，可以揭示电池的主要限制因素是电解质传输，还是其他衰减机制。
在比较不同配方时，必须报告并控制温度，尤其是对于高浓度电解质。
理解这些权衡关系
更强的穿梭抑制与更慢的传输
核心优势是对多硫化物的强保持能力以及更高的库仑效率。相应的代价是离子和多硫化物在电解质及多孔电极中的移动速度变慢。
当穿梭效应是主要失效模式时，这种特性十分有利；但当电池已经受到厚电极传输限制时，则会产生不利影响。
更高的稳定性与更高的成本
富含LiTFSI的配方需要单位电解质体积中含有更多盐，因此其原材料成本高于稀配方。
对于关注循环稳定性的实验室研究，这种成本可能可以接受；但对于大规模电池而言，这会成为重要因素，因为电解质质量和成本会直接影响能量密度和经济性。
致密电极与电解质可达性
压制可以改善电极均匀性和机械接触，但过度压制会减少孔体积和孔道连通性。在高黏度电解质中，这种加工错误的影响会比使用稀电解质时更加严重。
因此，最佳电极需要在高硫载量、机械完整性、电子传导能力和可利用电解质通道之间取得平衡。
较高的表观性能与困难的规模化
当研究人员仔细控制电解质量、浸润、压力和密封时，小型实验室电池可以实现出色的结果。但这些结果可能无法直接迁移到厚电极、高载量或大尺寸电池中。
规模化必须解决更长的渗透距离、更大的电解质储量、更高要求的密封工艺，以及更严格的空间均匀性控制问题。
根据目标做出正确选择
电解质配方和制造策略应当协同选择，而不是彼此独立地确定。
- 如果你的主要目标是抑制多硫化物穿梭：使用超高浓度LiTFSI电解质，并优先控制正极孔隙率、确保隔膜完全润湿，同时测量库仑效率和自放电。
- 如果你的主要目标是高倍率运行：评估该浓度是否造成过高的黏度和传输阻力，然后优化盐浓度、正极厚度、孔道连通性和工作温度。
- 如果你的主要目标是高硫载量：在不堵塞正极连通孔道的前提下进行均匀压制，并在循环前确认黏性电解质已完全渗入电极。
- 如果你的主要目标是实际能量密度和成本：在电池层面评估中纳入电解质质量、盐价格、加工时间和未使用电解质，而不是仅比较活性物质性能。
- 如果你的主要目标是可靠的实验室对比：对所有测试电池统一电解质量、浸润时间、压制条件、组装压力、密封工艺和温度。
最有效的盐包溶剂锂硫电池，并不是盐浓度最高的电池，而是其电解质化学性质与多孔电极结构能够匹配目标工作倍率和制造工艺的电池。
总结表：
| 性能方面 | 优势 | 权衡因素 |
|---|---|---|
| 多硫化物抑制 | 穿梭效应减弱，库仑效率提高 | 高黏度阻碍传输 |
| 锂金属稳定性 | 界面保护增强 | 成本增加，工艺复杂 |
| Li⁺迁移数 | 更高（0.73），极化降低 | 高浓度下离子电导率降低 |
| 倍率性能 | 优化电池中最高可达3 C | 高电流密度下受到传输限制 |
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