为什么高电导率对于锂硫电池中的金属硫化物基体至关重要？通过更好的电极设计实现卓越性能。

高电导率至关重要，因为硫和 Li₂S 是极好的绝缘体，因此金属硫化物基体必须为活性硫物种提供连续的电子传输路径。导电的极性硫化物可以同时锚定溶解的锂多硫化物，向其转移电子，加速其转化，并促进更均匀的 Li₂S 沉积。在浆料混合、涂布、压片和电池组装过程中，这种导电性有助于降低极化，并保持高倍率容量和库仑效率。

核心要求不仅仅是化学极性或导电性，而是两者的结合：极性位点保留锂多硫化物，而导电基体使这些被捕获的物种能够进行电化学反应。

为什么硫正极需要导电基体

硫和 Li₂S 阻碍电子传输

元素硫及其最终放电产物 Li₂S 是电子绝缘体。据报道，硫在室温下的电导率极低，约为 5 × 10⁻³⁰ S cm⁻¹，而 Li₂S 也严重限制了电子转移。

如果没有导电基体，部分硫在放电过程中会变得电绝缘。这些区域可能在化学上存在，但无法有效参与电化学反应。

反应是一个转化过程

锂硫电池不依赖简单的锂离子嵌入。硫经历一个涉及可溶性锂多硫化物并最终生成固体 Li₂S 的多步转化序列。

每一步都需要电子、锂离子和含硫物种之间的有效接触。随着活性物质改变相态并在整个正极中重新分布，导电基体有助于维持电子的通路。

绝缘会增加电化学损耗

不良的电子接触会提高电荷转移电阻，并增加驱动硫反应所需的过电位。实际影响包括氧化还原动力学迟缓、更大的电压滞后、硫利用率不完整以及高倍率性能较弱。

这些损耗表现为充电和放电平台之间的间隙变宽，以及快速循环期间容量的降低。

为什么极性金属硫化物既需要极性也需要导电性

仅靠化学吸附是不够的

极性过渡金属硫化物（如 CoS₂、TiS₂ 和 NiS）可以与锂多硫化物发生强相互作用。这些相互作用有助于抑制多硫化物的溶解并减少穿梭效应。

然而，被化学捕获但电学上断开的多硫化物无法有效转化。结合保留了物种；导电性使其能够发生反应。

导电基体加速多硫化物转化

导电硫化物为吸附的多硫化物和固体反应产物提供了电子路径。这可以加速决定硫利用率的还原和氧化步骤。

因此，包括半金属 CoS₂ 在内的高导电材料是极具吸引力的基体候选者；主要参考文献报道 CoS₂ 的电导率高达 6.7 × 10⁵ S/cm。

导电性促进均匀的 Li₂S 沉积

Li₂S 的形成是正极钝化的关键来源。如果 Li₂S 沉积不均匀或积聚在电学断开的区域，它会阻塞反应位点并进一步增加电阻。

导电基体能更有效地在电极上分配电子，支持更均匀的 Li₂S 成核和生长。这有助于限制局部绝缘沉积物并保持对活性物质的接触。

为什么导电性在浆料制备和电极加工过程中很重要

浆料混合必须建立连续网络

在浆料制备过程中，硫、金属硫化物基体颗粒、导电添加剂、粘合剂和溶剂必须均匀分布。即使整体配方包含导电材料，团聚的硫或基体颗粒也会产生电绝缘域。

高导电基体降低了对完美的碳-硫接触的依赖，但它们并没有消除对有效混合的需求。目标是在整个涂层正极中形成连续的颗粒间网络。

涂层均匀性影响局部电阻

均匀的涂层有助于在整个电极上保持一致的硫负载、基体分布和厚度。硫过量且导电基体不足的局部区域可能成为高电阻区。

这种不均匀性会导致电池测试期间电流分布不均、局部极化和利用率不一致。

压片可改善接触，但必须加以控制

精密压片可以改善硫、硫化物基体颗粒和集流体之间的接触。它还可以降低接触电阻并提高电极的体积完整性。

然而，过度压实可能会减少孔隙体积并限制电解质渗透或锂离子传输。因此，导电性必须与受控的孔隙率同步发展，而不是仅仅通过最大程度的致密化来追求。

导电基体提高可重复性

稳健的导电网络使电极性能对浆料混合、涂布和压片过程中的微小变化不那么敏感。这在实验室研究中尤为重要，因为加工差异可能会被误认为是材料性能的差异。

其结果是能够更可靠地比较硫化物基体成分，并获得更具可重复性的电池组装和测试结果。

导电性如何影响电池性能

较低的内部极化

电子导电基体降低了硫复合正极内的电阻。较低的电阻意味着负载下的电压损失更小，对所施加充放电电流的利用更有效。

这在高电流密度下尤为重要，因为此时电子传输不足会成为主要限制因素。

更好的倍率性能

快速循环需要在整个电极上快速输送和移除电子。导电金属硫化物有助于在电流需求增加时维持反应通路。

只要离子传输和多硫化物管理也足够，由此产生的改进将体现在更高倍率下更稳定的容量上。

更高的库仑效率

高效的电子转化减少了电化学惰性或参与寄生穿梭反应的含硫材料量。结合强力的多硫化物吸附，这可以提高放电容量与充电容量的比率。

仅靠导电性并不能防止穿梭效应，但它支持留在正极中的物种进行更完全和受控的转化。

更高的活性物质利用率

导电基体有助于对原本会被隔离的硫和 Li₂S 颗粒进行电学再激活。因此，更多的硫库存可以参与可逆的氧化还原过程。

这种好处在高硫负载下尤为重要，因为长电子传输距离和颗粒拥挤使得导电网络的质量更为关键。

理解权衡

导电性不能替代离子传输

如果锂离子通过电极的扩散缓慢，电子导电基体的表现可能仍然很差。有效的正极需要电子导电性、离子传输、孔隙率和电解质接触之间的平衡。

如果压片阻塞了锂离子移动所需的路径，致密且高导电的电极可能会表现不佳。

导电性不能保证多硫化物保留

导电基体可能会加速多硫化物转化，但缺乏足够的化学亲和力来保留可溶性中间体。强极性吸附对于减少向电解质的迁移及由此产生的穿梭效应仍然是必要的。

因此，最好的基体是将导电路径与化学活性结合位点相结合。

导电添加剂并非越多越好

添加碳可以改善电子传输，但过多的导电添加剂会降低活性硫的比例，并可能降低实际能量密度。它还会改变浆料流变性、涂布行为和电极孔隙率。

金属硫化物通常比相应的氧化物提供更好的固有导电性，一些硫化物正极可能需要较少的额外碳。这应该针对特定的硫化物、颗粒形态、负载量和电极架构进行验证，而不是普遍假设。

加工必须保持设计的结构

混合过程中的团聚、不均匀的涂布或过度压片可能会破坏基体材料固有的导电性。因此，材料选择和工艺控制是相互依存的。

相关的问题不仅仅是硫化物粉末是否导电，而是成品电极在浆料制备和机械加工后是否保留了连接的网络。

为您的目标做出正确的选择

将基体选择和加工条件结合起来，因为导电性只有在经受住配方考验并在整个成品电极中建立有效接触时才有用。

• 如果您的主要重点是高倍率性能：优先考虑高导电硫化物网络、均匀的浆料分散和受控的电极孔隙率，以最大限度地减少电子转移和离子传输限制。
• 如果您的主要重点是硫利用率：将高电子导电性与强多硫化物吸附相结合，使硫和 Li₂S 既能被保留又能进行电化学反应。
• 如果您的主要重点是库仑效率和循环寿命：使用极性导电基体，在反复的硫-Li₂S 体积变化过程中限制多硫化物迁移并保持接触。
• 如果您的主要重点是能量密度：倾向于使用导电硫化物架构，该架构减少了对大量碳的依赖，同时保留了足够的离子路径和机械完整性。
• 如果您的主要重点是可重复的实验室结果：控制浆料混合、涂布、压片和组装，使导电网络在电极之间保持一致分布。

最有效的金属硫化物基体是那种能强力结合多硫化物、连续传导电子，并在整个循环过程中保持对锂离子结构可及性的基体。

总结表：

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