锂硫（Li-S）电池理论能量密度高、成本低，是一种很有前途的大规模储能和汽车电气化技术。 最近，降低硫正极孔隙率被认为是一种可行的策略，可以提高电池的实际能量密度，并最大限度地减少孔隙填充电解液，以延长电池在电解质不良条件下的寿命。 然而，直接使用低孔隙率正极的锂硫电池会导致电极润湿性差和电极响应不均匀，导致电池快速失效。
西北太平洋国家实验室，陆东平和傅玉成为了理解和减轻低孔隙率电极使用障碍，通过明确考虑电极润湿性和电极形貌的影响，以及电极润湿、电解质扩散及其对锂硫反应的影响，进行了多尺度建模。
其中，三维孔尺度模型采用离散元法重构了不同二次粒径的低孔隙率阴极。 结合多相流模拟，可以获得不同低孔隙率阴极设计的电解液渗透和电极润湿信息。 仿真表明，大颗粒阴极 （LPC） 的孔隙中电解质含量比小颗粒阴极 （SPC） 多 74%，小颗粒阴极提供了更大的表面积和更多的有效硫。 此外，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放电曲线。 多尺度模型能够考虑不同低孔隙率阴极设计的放电曲线和容量的差异。
结果表明，采用LPC和SPC**的Li-S电池容量与实验容量吻合较好，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电池性能的阴极形貌和初始电解质渗透**，这是传统模型无法直接实现的。
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，增加电极中的二次粒径对于提高电极润湿性和电池性能至关重要。 电解质分布不均匀也会导致Li2S沉积不均匀。 这会导致孔口堵塞的增加和排放能力的潜在降低。 在相同的平均润湿百分比下，电解液分布曲线也会影响电池性能。 如果大部分电解液位于隔膜阴极界面区域附近，则硫磺的使用效率会更高。 总体而言，利用这种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，将Li-S的实际能量密度推向极限。
图3 多硫化锂的传输和电解液的再分布
understanding of low-porosity sulfur electrode for high-energy lithium–sulfur batteries. advanced energy materials 2023. doi: 10.1002/aenm.202203386