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摘要

到2050年，全球能源消耗預(yù)計(jì)將增長近50%，這對(duì)當(dāng)前的電池技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。盡管鋰離子系統(tǒng)仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但新興電池化學(xué)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(huán)境影響問題。然而，水分引起的不穩(wěn)定性依然是關(guān)鍵難題。研究發(fā)現(xiàn)，與總含水量相比，水分活度能更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)到2050年全球能源需求可能幾乎翻倍，對(duì)大規(guī)模、高可靠性的儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求變得愈加迫切。盡管鋰離子電池仍是核心技術(shù)，但它們面臨材料和可擴(kuò)展性方面的挑戰(zhàn)，這促使人們對(duì)諸如水基（即水溶性）系統(tǒng)等替代方案產(chǎn)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(jīng)電化學(xué)電池時(shí)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)功率與能量的解耦。

然而，這些替代技術(shù)都面臨一個(gè)共同難題：難以控制水分含量。如果水分管理不當(dāng)，在潮濕環(huán)境下其性能可能會(huì)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(jié)構(gòu)可調(diào)而受到廣泛關(guān)注。由氫鍵供體與受體（如乙二醇與膽堿氯化物）構(gòu)成的DES，易吸收空氣中水分，導(dǎo)致氫鍵網(wǎng)絡(luò)變化，從而影響電化學(xué)穩(wěn)定性。傳統(tǒng)干燥方法雖能減少水分，但無法區(qū)分結(jié)合態(tài)水與高能態(tài)自由水，后者更易參與電化學(xué)反應(yīng)并造成腐蝕。

2.2 水分活度作為指導(dǎo)參數(shù)

水分活度（即水的熱力學(xué)活性）已被證明比總含水量更可靠地與體系的粘度、電導(dǎo)率或氧化還原電位變化相關(guān)聯(lián)。

被穩(wěn)定絡(luò)合物化學(xué)結(jié)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(dǎo)致腐蝕加劇、電池容量下降，甚至引發(fā)相分離。因此，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究重點(diǎn)已經(jīng)從單純“干燥溶劑”轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)調(diào)控水的能量狀態(tài)，以期在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際應(yīng)用中獲得更準(zhǔn)確、可重復(fù)的結(jié)。

問題描述

傳統(tǒng)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(xué)方式結(jié)合在溶劑中。

氧化還原液流電池和鋁-空氣電池被認(rèn)為比鋰離子電池更安全且更具可擴(kuò)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(huì)變得不穩(wěn)定。

即使水分?jǐn)z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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@不理想的狀態(tài)。

這是因?yàn)樾挛盏乃肿訒?huì)重新排列局部的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，而這種變化無法通過傳統(tǒng)的總含水量測(cè)量方法檢測(cè)到。

此外，標(biāo)準(zhǔn)的干燥技術(shù)并不能區(qū)分水的能量狀態(tài)，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(dǎo)致金屬部件腐蝕、擾亂電化學(xué)數(shù)據(jù)，甚至掩蓋真實(shí)的溶劑穩(wěn)定性邊界（如果這些水參與反應(yīng)）。這種忽視將威脅到那些試圖在成本、安全性或可擴(kuò)展性方面超越鋰電池的新興電池技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性。

此外，如果不對(duì)水分活度進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，研究人員就有可能誤讀關(guān)鍵的電化學(xué)結(jié)果，從而在制造過程中引入不一致性，縮短設(shè)備的使用壽命。

解決方案

對(duì)水分活度的精確測(cè)量可以直接解決與濕度相關(guān)的問題，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的干燥度分析相比，它對(duì)水的能量變化更為敏感。

通過測(cè)量水分活度，可以在電池制造、儲(chǔ)存及溶液配制過程中有效監(jiān)控溶劑的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的濕度控制。例如，在手套箱中進(jìn)行關(guān)鍵操作，可以防止?jié)駳庵匦卤晃眨瑥亩苊庠缜案稍锕ぷ鞯氖?。此外，若在早期就檢測(cè)到水分活度的變化，還可以實(shí)時(shí)調(diào)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(shè)備性能的穩(wěn)定性。除了嚴(yán)格的濕度控制之外，還可以通過“電解質(zhì)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(jié)合，可減弱微量水分對(duì)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(tuán)，從而減少引入水分后對(duì)氫鍵結(jié)構(gòu)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(kuò)展電解液的穩(wěn)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(jié)合，能夠保持基于DES的電解液在大規(guī)模電池系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論

水分活度測(cè)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(rèn)為是電池電解液的可行選擇。通過測(cè)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(xué)性能。這點(diǎn)尤為重要，因?yàn)樗哪芰繝顟B(tài)變化會(huì)影響溶液中幾乎所有的物理參數(shù)。尤其是，電化學(xué)性能與穩(wěn)定性會(huì)直接受到水分活度變化的顯著影響。