AEM：多尺度模拟解析高能锂硫电池的低孔率硫电极

锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度和低成本而成为大规模储能和汽车电气化的一项有前景的技术。降低硫正极孔隙率最近已被确定为改善电池实际能量密度和最小化孔隙填充电解液以延长电池在贫电解质条件下的寿命的可行策略。但直接使用低孔隙率正极的Li-S电池会导致电极润湿性差，电极反应不均匀，从而导致电池快速失效。

美国太平洋西北国家实验室Dongping Lu和Yucheng Fu等为了解和减轻与使用低孔隙电极有关的障碍，通过明确考虑电极润湿性影响和电极形态，进行了多尺度建模，以预测电极润湿、电解液扩散及其对Li-S电池中硫反应的影响。

其中，三维孔隙尺度模型应用离散元方法重建了具有不同二次颗粒尺寸的低孔隙率正极。结合多相流模拟，可以获得不同低孔隙率正极设计的电解液渗透和电极润湿信息。

模拟表明，与小颗粒正极（SPC）相比，大颗粒正极（LPC）在其孔隙内容纳的电解液多出74%，这提供了更大的表面积和更多的可利用硫。另外，正极润湿信息被动态地纳入一维器件尺度模型中，用于分析电化学反应和预测放电曲线。多尺度模型能够预测采用不同低孔隙正极设计的放电曲线和容量差异。

结果，采用LPC和SPC预测的Li-S电池容量与实验测试的容量匹配良好，误差小于9%。与传统的一维模型相比，新提出的多尺度模型同时考虑了正极形态和初始电解液渗透，以用于电池性能预测，这与传统模型不直接可行。

图2. 电极润湿曲线和曲率

此外，多尺度模型表明，对于低孔隙率电极，增加电极中的二次颗粒尺寸对于提高电极润湿性和电池性能至关重要。不均匀的电解液分布也会导致不均匀的Li₂S沉积。这导致了孔道堵塞的增加和潜在的放电容量下降。

在相同的平均润湿百分比条件下，电解液分布曲线也会影响电池性能。如果大多数电解液位于隔膜/正极界面区域附近，则硫将更有效地使用。

总体而言，利用此开发的多尺度模型框架，可以分析和加速低孔隙率电极的设计，以将Li-S实用能量密度推到其极限。

图3. 多硫化锂的运输和电解液的再分配

Understanding of Low-Porosity Sulfur Electrode for High-Energy Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202203386

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AEM：多尺度模拟解析高能锂硫电池的低孔率硫电极

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