電池技術中新興應用中的水分活度重要性2025/08/22 閱讀：242
方案摘要
摘要
到2050年，全球能源消耗預計將增長近50%，這對當前的電池技術提出了巨大的挑戰。盡管鋰離子系統仍占據主導地位，但新興電池化學體系（如氧化還原液流電池、鋁空氣電池、水系電池）正試圖解決成本、安全性與環境影響問題。然而，水分引起的不穩定性依然是關鍵難題。研究發現，與總含水量相比，水分活度能更準確預測電解液性能變化。通過控制水分活度，制造商可以提高電池壽命并防止因水分引起的故障。
背景介紹
隨著美國能源信息署預測到2050年全球能源需求可能幾乎翻倍，對大規模、高可靠性的儲能系統的需求變得愈加迫切。盡管鋰離子電池仍是核心技術，但它們面臨材料和可擴展性方面的挑戰，這促使人們對諸如水基（即水溶性）系統等替代方案產生濃厚興趣。
?氧化還原液流電池使用可氧化還原的電解液，在流經電化學電池時產生電流；
?鋁-空氣電池則利用高密度的鋁陽極與氧氣作為陰極來生成電能，從而實現功率與能量的解耦。
然而，這些替代技術都面臨一個共同難題：難以控制水分含量。如果水分管理不當，在潮濕環境下其性能可能會迅速下降。
2.1 深共熔溶劑與水敏感性
深共熔溶劑（DES）因其低毒性、合成簡單、結構可調而受到廣泛關注。由氫鍵供體與受體（如乙二醇與膽堿氯化物）構成的DES，易吸收空氣中水分，導致氫鍵網絡變化，從而影響電化學穩定性。傳統干燥方法雖能減少水分，但無法區分結合態水與高能態自由水，后者更易參與電化學反應并造成腐蝕。
2.2 水分活度作為指導參數
水分活度（即水的熱力學活性）已被證明比總含水量更可靠地與體系的粘度、電導率或氧化還原電位變化相關聯。
被穩定絡合物化學結合的水通常較為惰性，而即使是微小變化的高能量水，也可能導致腐蝕加劇、電池容量下降，甚至引發相分離。因此，工業界和學術界的研究重點已經從單純“干燥溶劑”轉向精準調控水的能量狀態，以期在實驗室和實際應用中獲得更準確、可重復的結。
問題描述
傳統的干燥方法（例如真空抽吸或篩分）雖然可以降低整體水分含量，但無法判斷有多少水分仍以化學方式結合在溶劑中。
氧化還原液流電池和鋁-空氣電池被認為比鋰離子電池更安全且更具可擴展性，然而，如果水分活度未得到妥善控制，它們的電解液可能會變得不穩定。
即使水分攝入量略微增加，也可能使 ethaline 類型的深共熔溶劑（DES）從幾乎理想的狀態轉變為明顯不理想的狀態。
這是因為新吸收的水分子會重新排列局部的氫鍵網絡，而這種變化無法通過傳統的總含水量測量方法檢測到。
此外，標準的干燥技術并不能區分水的能量狀態，它們僅僅是去除大部分水分而已。
在水含量較低、體系非理想行為更明顯的條件下，任何殘留的高能量水都可能導致金屬部件腐蝕、擾亂電化學數據，甚至掩蓋真實的溶劑穩定性邊界（如果這些水參與反應）。這種忽視將威脅到那些試圖在成本、安全性或可擴展性方面超越鋰電池的新興電池技術的經濟可行性。
此外，如果不對水分活度進行精確監測，研究人員就有可能誤讀關鍵的電化學結果，從而在制造過程中引入不一致性，縮短設備的使用壽命。
在《電池技術中新興應用中的水分活度重要性（上）》中，我們探討了未來能源增長對電池技術提出的挑戰，并介紹了水分活度在新興電池體系中的關鍵作用。傳統干燥方法難以識別“高能自由水”，而水分活度作為更準確的熱力學參數，能更有效預測和調控電解液的性能穩定性。特別是在深共熔溶劑（DES）等體系中，即便微量水分變化也可能帶來顯著影響。因此，科學合理地監控和控制水分活度，正逐步成為下一代電池材料研究與工程化應用的關鍵。緊接上期內容，本期將繼續探討如何通過精確測量水分活度實現對溶劑體系的有效控制、不同工藝環境下的調節策略，以及借助電解質設計手段進一步拓展DES在電池技術中的應用邊界。
在下圖中，比較了乙二醇（EG）及其深共熔溶劑變體 ethaline 在水含量從 0% 增加至 100% 過程中的表現。圖1a 和圖1b 展示了水分活度（aw）與水的摩爾分數（Xw）之間的關系。結果顯示，在低水濃度下，EG 和 ethaline 都明顯偏離理想參考線（虛線），說明溶劑與水的相互作用并不理想。隨著水分含量的增加，這些曲線逐漸趨近于理想線，表明當達到某一濃度后，這些混合物的行為更接近于常規溶液。
1. 圖(a)和圖(b)分別是乙二醇（EG）和ethaline 在 25°C 下，不同水的摩爾分數條件下的水分活度（aw）
根據圖（c），乙二醇（EG）表現出較強的吸水性，說明其對水具有高度親和力。相比之下，ethaline 在初始階段的吸水速率較低，但隨著加水量的增加，吸濕速率明顯上升。
2. 圖(c)和圖(d)是乙二醇（EG）和 ethaline 的吸濕等溫線。圖中每一個數據點代表在不同加水量（質量百分比從0-100%）條件下所采集的數據
這些觀察結果有助于確定一個關鍵點:即水的能量開始隨著水分含量的增加而迅速變化的節點。這種變化會影響到諸如氫氣析出或溶劑降解等過程，并反映出每種溶劑吸收和保持水分的能力.在工業應用中，這類信息對于工藝開發至關重要，控制水分含量與理解溶劑的穩定性都是關鍵因素。
解決方案
對水分活度的精確測量可以直接解決與濕度相關的問題，因為與傳統的干燥度分析相比，它對水的能量變化更為敏感。
通過測量水分活度，可以在電池制造、儲存及溶液配制過程中有效監控溶劑的狀態，從而實現更加精準的濕度控制。例如，在手套箱中進行關鍵操作，可以防止濕氣重新被吸收，從而避免早前干燥工作的失效。此外，若在早期就檢測到水分活度的變化，還可以實時調整真空干燥或分子篩處理過程，以最大限度減少殘留水分。
將水的能量保持在某一安全閾值以下，可以有效維持溶劑所需的離子傳輸路徑與氧化還原窗口，從而在不同工作條件下保持設備性能的穩定性。除了嚴格的濕度控制之外，還可以通過“電解質定制（electrolyte tailoring）”來提升深共熔溶劑（DES）的性能。例如，引入具有離子相互作用的共添加劑，使其與水競爭結合，可減弱微量水分對水能量的不良影響。
另一種方法是修改膽堿氯化物或乙二醇中的功能基團，從而減少引入水分后對氫鍵結構或溶液粘度的影響。還有一種策略是將DES與合適的共溶劑混合形成雜化體系，從而擴展電解液的穩定工作范圍。
這些改良性措施若與精確的水分活度控制相結合，能夠保持基于DES的電解液在大規模電池系統中的優勢。
結論
水分活度測量是研究電池溶劑（如深共熔溶劑 DES 或離子液體）的理想手段，這些溶劑被認為是電池電解液的可行選擇。通過測量這類溶劑體系中的水分活度，可以更深入地理解其在有水或無水條件下的電化學性能。這點尤為重要，因為水的能量狀態變化會影響溶液中幾乎所有的物理參數。尤其是，電化學性能與穩定性會直接受到水分活度變化的顯著影響。
