维持锂硫电池恒定堆叠压力的重要性是什么？确保稳定性和离子传输

维持恒定堆叠压力是保持全固态锂硫（Li-S）电池在测试期间结构完整性的最重要的单一因素。通过施加持续的高机械载荷—通常使用精密夹具施加约 60 MPa 的压力—您可以确保固体电解质与电极界面保持紧密接触。这可以防止电池因在运行过程中发生的严重材料物理位移而失效。

核心要点 全固态锂硫电池在循环过程中会经历巨大的体积波动。如果没有外部恒定压力来机械约束电池，这些波动会导致内部层分离，切断离子传输路径，并导致电池快速失效。

界面稳定性的力学原理

锂硫电池的主要挑战在于硫的物理行为。在锂化和脱锂过程中，硫会发生显著的体积变化，膨胀高达 78%。

与能够流动填充空隙的液体电解质不同，固体电解质是刚性的。在没有外部压力的情况下，这种膨胀和随后的收缩会在电极和电解质之间产生物理间隙。

为了使电池正常工作，锂离子必须通过固体电解质从阳极物理地移动到阴极。这需要层与层之间的原子级接触。

维持恒定堆叠压力充当了桥梁。它迫使活性材料和电解质保持接触。这确保了界面离子传输性能保持稳定，使电池能够高效地充电和放电。

当电极材料在没有受控压力的情况下对抗刚性固体电解质膨胀时，会产生应力。这会导致材料内部产生裂纹或层分层（分离）。

通过施加恒定的限制压力（例如 60 MPa），您可以机械地抑制这种分离。压力迫使材料在不破裂的情况下适应体积变化，从而保持界面的物理完整性。

当层分层时，一部分活性材料会与电绝缘（“死硫”）。它们不再能够参与反应，导致电池容量永久下降。

持续的机械约束可防止这种分离。这直接有助于延长电池的循环寿命并在长期测试中保持高库仑效率。

如果施加的压力过低（例如，依赖低于 0.2 MPa 的最小弹簧压力），界面会迅速退化。

在循环的收缩阶段会形成间隙，导致高界面阻抗（电阻）。这会导致更快的容量衰减和较差的倍率性能，使得测试结果无法准确反映材料的真实潜力。

维持高压力（60 MPa）需要专门的、笨重的设备，例如带扭矩扳手的螺栓夹具或液压模具。

虽然这对成功至关重要，但这增加了测试设置的复杂性。它也凸显了商业化面临的挑战：与实验室条件相比，在实用、轻便的电池组中复制这种高压环境是困难的。

在设计测试方案时，请考虑您的具体目标：

固态锂硫电池测试的成功不仅取决于化学性质，还取决于机械强制实现使化学性质得以发生的接触。

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Robert Bradbury, Ingo Manke. Visualizing Lithium Ion Transport in Solid‐State Li–S Batteries Using <sup>6</sup>Li Contrast Enhanced Neutron Imaging. DOI: 10.1002/adfm.202302619

本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .