施加恒定的极限压力是全固态锂硫电池的基本要求，这是由于硫化学固有的巨大体积变化。在锂化和脱锂过程中，硫会膨胀和收缩高达78%，从而产生机械不稳定性，在内部组件之间产生间隙。需要一个施加显著压力（通常约为60 MPa）的模具装置来物理约束这种膨胀，防止材料分离，并维持电池有效循环所需的关键接触。
核心见解：与能够流动填充空隙的液体电解质系统不同，固态电池具有无法自我修复的刚性界面。外部压力充当机械桥梁，迫使活性材料在硫正极发生剧烈的物理膨胀和收缩的情况下，保持离子传输所需的连续接触。
体积管理的力学
控制巨大的膨胀
这一要求的主要驱动因素是硫本身的性质。当硫与锂反应时，其体积变化接近78%。
如果没有外部约束，这种膨胀会将组件推开。压力模具充当容器，确保电池的整体几何形状在内部波动时保持稳定。
抑制材料分离
当硫在脱锂过程中收缩时，它自然会与电解质和导电添加剂分离。
这会导致“岛状形成”，其中活性材料在电学上被隔离且无活性。恒定的极限压力有效地抑制了这种分离，迫使材料保持接近状态，并减少容量的快速衰减。
优化固-固界面
克服界面刚性
在固态电池中，正极、负极和电解质之间的界面由刚性固体组成，而不是可适应的液体。
这些固体具有微观粗糙度，阻碍了完美的接触。需要高压（测试中通常约为80 MPa）来轻微变形这些材料，从而最大限度地减少物理间隙并建立锂离子的连续路径。
最小化界面电阻
界面处的物理间隙会阻碍离子运动，从而急剧增加界面电阻。
通过在这些有机/无机边界处强制完全接触，压力确保锂离子能够顺畅迁移。这对于实现可接受的电流密度和确保电池不会因高阻抗而失效至关重要。
利用锂蠕变
放电过程中，锂会从负极剥离，可能产生破坏接触的空隙。
外部压力利用锂金属的蠕变特性，在空隙形成时将其挤压以填充这些空隙。这种由压力驱动的自修复机制对于维持长期的循环稳定性至关重要。
理解权衡
重量和体积的代价
虽然高压（60-80 MPa）解决了电化学问题，但它也带来了重大的工程挑战。
维持这种力的重型钢模或液压机增加了巨大的重量和体积。这导致了材料层面的高能量密度与完整系统层面的潜在低能量密度之间的差异。
可扩展性问题
在商业应用中，在实验室压力机外部复制恒定的 60 MPa 压力环境是困难的。
电动汽车的标准电池组无法轻松容纳实验室测试中使用的重型夹紧机构。这使得人们必须寻找在较低压力下运行的固体电解质或采用更有效施力方式的新型电池设计。
为您的目标做出正确选择
在设计您的测试方案或电池结构时，压力的施加方式决定了您的结果。
- 如果您的主要关注点是基础材料研究：施加高恒定压力（60-80 MPa），以消除接触电阻作为变量，并分离材料真正的电化学能力。
- 如果您的主要关注点是商业可行性：尝试最低的功能压力阈值，以确定实际电池设计所需的最小机械开销。
最终，压力模具不仅仅是一个测试配件；它是电池运行系统的一个组成部分，补偿了固态化学中缺乏流动性的问题。
总结表：
| 因素 | 对全固态锂硫电池的影响 | 恒定压力的作用 |
|---|---|---|
| 硫体积变化 | 高达 78% 的膨胀/收缩 | 限制膨胀并防止结构失效 |
| 界面接触 | 刚性固体产生间隙/空隙 | 强制物理接触以实现离子传输 |
| 材料分离 | 活性材料分离（岛状形成） | 抑制分离以保持导电性 |
| 界面电阻 | 在无接触的情况下显著增加 | 通过闭合微观间隙最小化电阻 |
| 锂负极 | 剥离过程中产生空隙 | 利用锂蠕变自愈空隙 |
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参考文献
- Yuta Kimura, Saneyuki Ohno. Unraveling Asymmetric Macroscopic Reaction Dynamics in Solid‐State Li–S Batteries During Charge–Discharge Cycles: Visualizing Ionic Transport Limitations with <i>Operando</i> X‐Ray Computed Tomography. DOI: 10.1002/aenm.202503863
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
