柏林亥姆霍兹中心(HZB)的一个研究小组首次运用原位中子断层扫描技术，观察液体电解质在采用稀薄电解质的实用锂硫袋式电池内部的移动情况，揭示了此类高能量密度电池快速老化和失效的原因。

锂硫(Li-S)电池重量能量密度有望比目前的锂离子电池高出一倍以上，潜在能量可达700 Wh/kg以上，对航空航天、机器人和长距离电动汽车颇具吸引力。而且硫磺资源丰富、价格低廉，可避免使用钴和镍。不过，提高锂硫电池实际能量密度需减少电解质等非活性物质，这虽能使电池更轻，但会导致更难完全浸润，不完全润湿会破坏电化学反应、加速电池退化。

领导该研究的HZB化学家Yan Lu教授称，关键在于了解电解质在Li-S袋式电池中如何润湿电极、渗透电极孔隙并分布，以及这些特性怎样影响电池性能。然而，在不破坏封闭电池的情况下观察内部润湿情况极具挑战。

为解决这一问题，研究团队在HZB的软包电池组装实验室，采用稀薄电解质和行业相关参数设计了多层软包电池。随后，在格勒诺布尔劳厄 - 朗之万研究所利用中子断层扫描技术，对电池在充电和放电循环过程中进行实时跟踪。中子成像能高精度探测锂和氢等轻元素，使研究人员首次观察到运行过程中电解质分布的变化。

Yan Lu教授表示，团队首次实时观察到液体电解质的行为，以及软包电池不同层中润湿性随时间的局部变化，获得了一些有趣见解。研究团队发现，在开路电压下静息期间，尤其是静息阶段早期，某些区域会形成未润湿区域。短时间静息可改善润湿情况，长时间静息则效果甚微。相反，充电和放电循环能改善电解质的均匀性，促进硫的活化，提高电池容量。此外，团队还记录到独特的“吸气”和“呼气”润湿模式，这些周期性变化与循环过程中含硫化合物的溶解和沉淀过程相吻合。

该研究第一作者吕立强博士指出，由于Li - S系统化学性质独特，其动态电解质润湿行为与传统锂离子电池有显著差异。Yan Lu教授称，这项研究对理解此类系统快速老化和失效的机制意义重大，有助于设计能量密度更高、寿命更长的紧凑型锂硫电池。该方法为非破坏性实时分析电解质行为提供了途径，能让制造商更清楚如何优化这类有前景的下一代电池。该研究已发表在《先进能源材料》杂志上。