高硫负载至关重要，因为电池中的非活性组件不会随着正极变薄而按比例缩小。 锂硫电池要达到实用的电池级能量密度，通常需要大约 6 mg/cm² 或更高的硫负载，并结合高于 70 wt% 的正极硫含量。电极加工工艺决定了这种负载是转化为可用容量，还是产生一个厚度大、连接性差、硫利用率低且循环寿命短的正极。
实际挑战不在于向电池中放入更多的硫；而在于在保持电极机械稳定性、电子和离子可达性的同时，将足够的硫装入电极，并最大限度地减少电解液和非活性材料的重量。
为什么硫负载决定了实用能量密度
低负载会产生过多的非活性重量
集流体、隔膜、粘结剂、导电添加剂、电解液、封装材料和其他电池组件占据了相当大的质量。即使硫正极仅含有少量活性物质，这些组件的质量依然显著。
在低硫负载（通常低于 2 mg/cm²）下，产生的面容量可能低于约 1 mAh/cm²。因此，电池每单位存储能量所承载的非活性材料过多。
面容量在电池层面至关重要
硫负载直接控制单位电极面积上的活性物质含量。接近 6 mg/cm² 或以上的负载通常被认为是与先进锂离子电池竞争的实用目标。
薄的实验室电极可以表现出令人印象深刻的硫利用率，但产生的电池级能量密度却不具代表性。高面负载会暴露出隐藏在小型研究电池中的质量和体积惩罚。
高硫占比可防止“死重稀释”
具有高硫负载但硫质量分数较低的正极性能可能依然不佳。过多的碳、粘结剂或基质材料会增加非活性或部分活性质量，从而降低硫的能量贡献。
因此，高于 70 wt% 的硫占比非常重要。它在活性物质与使该物质发挥作用所需的导电或结构组件之间保持了良好的平衡。
为什么高负载使正极制造更困难
厚电极增加了传输距离
根据配方和密度，实现约 6 mg/cm² 的负载可能需要约 150 µm 厚的电极。电子和锂离子必须穿过这一更大的厚度，才能到达整个正极中的硫。
如果导电网络或孔隙结构不均匀，部分硫会在电化学上被孤立。标称硫负载可能很高，但可用容量却依然很低。
硫是电绝缘体
单质硫的电子导电性较差。它必须分布在导电框架中，通常涉及碳或其他电子导电基质。
在高负载下，混合不充分会导致形成富硫团聚体。这些区域增加了局部电阻，并阻碍了整个电极的均匀反应。
循环会改变电极结构
硫在放电过程中转化为硫化锂，相对于硫，其体积膨胀约 80%。反复的膨胀和收缩会破坏导电接触、产生裂纹并导致从集流体上剥离。
因此，高负载电极必须同时提供导电性和对这些体积变化的机械适应能力。
电极加工工艺如何控制高负载性能
高剪切混合创建连续的导电网络
高固含量的浆料很难均匀化。高剪切混合有助于将硫和导电纳米复合材料均匀分散，减少团聚并限制成分的局部差异。
目标不仅仅是获得平滑的浆料，而是建立一个可重复的三维结构，使硫保持电子连接，并使孔隙保持可供电解液和离子传输的状态。
精密涂布控制厚度和缺陷
厚涂层会放大微小的制造差异。不均匀的涂层厚度会导致局部区域干燥、开裂或电解液浸润不足。
精密刮刀或狭缝式涂布有助于控制面负载，并在铝集流体上产生无缺陷的层。在比较电池或从扣式电池向软包电池格式扩展时，一致的涂布尤为重要。
干燥必须保持预期的微观结构
电极的最终孔隙率和组分分布取决于溶剂的去除方式。控制不当的干燥会导致粘结剂迁移、颗粒偏析、表面开裂或不均匀的孔隙结构。
这些缺陷在厚电极中更具破坏性，因为穿过整个涂层的传输本身已经很困难。
辊压平衡密度与孔隙率
加热辊压或液压压制可以增加颗粒接触、降低电阻并控制电极厚度。它还可以提高机械完整性并减少层压板内的孔隙率梯度。
然而，电极不能盲目压实。必须保留足够的互连孔隙以供电解液浸润和锂离子传输，特别是在贫电解液条件下。
受控压力提高结构稳定性
均匀的压实使硫、导电添加剂、粘结剂和集流体更紧密地接触。这有助于维持电子路径并降低循环过程中材料脱落的风险。
因此，精密压制是微观结构控制步骤，而不仅仅是使电极变薄的方法。
负载、孔隙率与电解液之间的相互作用
高负载需要有效的润湿
厚正极必须被电解液彻底浸润。润湿不良会留下干燥或润湿较弱的区域，这些区域无法充分参与电化学反应。
随着电解液与硫比例的降低，这个问题变得更加严重。实用的高能电池通常需要贫电解液，目标通常是 E/S 比为 3:1 或更低，这使得可用于补偿不良孔隙结构的电解液更少。
致密电极可提高体积能量密度——但有限度
低密度多孔基质在高硫负载下会产生极厚的电极。这增加了离子和电子的传输距离，并降低了体积能量密度。
更致密的基质材料和精心控制的辊压可以减小电极厚度并提高堆积密度。代价是过度致密化可能会封闭孔隙并限制电解液传输。
利用率是负载与能量之间的桥梁
高硫负载只有在很大比例的硫发生反应时，才能提高单位面积的理论能量。一个实用的设计目标通常是 至少 80% 的硫利用率。
因此，必须同时优化负载、硫占比、利用率和电解液量。孤立地改进其中一个指标可能会使其他指标恶化。
理解权衡
更多的硫并不自动意味着更多的可用能量
将负载增加到优化范围之外会降低硫利用率、增加极化并加速结构失效。如果电极结构和电解液供应不是为此设计的，非常高的负载（特别是高于约 10 mg/cm²）可能会损害循环稳定性。
正确的目标是在保持足够的利用率、传输、机械完整性和循环寿命的前提下，实现最高的负载。
更多的压缩会损害离子传输
压制改善了接触并减小了厚度，但过大的压力会使孔隙网络坍塌。结果可能是电解液吸收量降低，锂离子传输变慢。
辊压压力、温度和最终密度必须针对特定的硫-基质配方进行选择，而不是照搬其他电极化学体系。
更多的导电添加剂会降低硫占比
额外的碳可以改善电子导电性，但它会降低硫质量分数并增加非活性重量。配方必须在尽可能少的添加剂下建立连续的导电网络。
这就是为什么均匀分散通常比单纯增加导电材料的量更有价值。
厚电极暴露出制造变异性
在高负载下，浆料成分、涂层厚度、干燥或压制方面的微小差异都会变得显著。使用不一致工艺制造的实验室电池可能会显示出巨大的电池间差异，这常被误认为是电化学化学性质的问题。
因此，可靠的高负载开发需要过程控制和测量，而不仅仅是改进活性材料。
如何将其应用于您的项目
实用的设计顺序是先定义所需的电池级能量目标，然后反向推导负载、组成、孔隙率、电解液量和加工条件。
- 如果您的主要重点是最大质量能量密度： 目标是约 6 mg/cm² 或更高的硫负载，高于 70 wt% 的硫含量，高硫利用率和贫 E/S 比，同时最大限度地减少集流体、隔膜、粘结剂、碳和电解液的质量。
- 如果您的主要重点是体积能量密度： 使用足够致密的硫基质和受控的辊压，以限制电极厚度，同时不封闭离子传输所需的孔隙。
- 如果您的主要重点是循环寿命： 选择一个能保持电子接触和机械完整性的负载，即使它低于绝对可实现的最大负载。
- 如果您的主要重点是可重复的规模化： 将高剪切混合、厚膜涂布、干燥和加热压制作为一个集成过程来控制，而不是独立优化每个步骤。
实用的锂硫能量密度来自于均衡的高负载电极，而不仅仅是硫负载本身。
总结表：
| 因素 | 低硫负载 | 高硫负载 | 对能量密度的影响 |
|---|---|---|---|
| 面容量 | <1 mAh/cm² | >4 mAh/cm² | 低负载达不到实用目标 |
| 非活性重量 | 比例高 | 比例较低 | 高负载减少了死重 |
| 电极厚度 | 薄 (<50 µm) | 厚 (>150 µm) | 厚电极增加了传输距离 |
| 硫利用率 | 高（通常 >90%） | 中等（需要优化） | 如果加工不当，高负载可能降低利用率 |
| 加工要求 | 简单 | 复杂（混合、涂布、干燥、压制） | 一致的加工对于高负载至关重要 |
| 循环寿命 | 通常良好 | 如果机械完整性未保持，可能会降解 | 需要精心设计以保持稳定性 |
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