电池技术中新兴应用中的水分活度重要性

2025-06-09

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摘要

到2050年，全球能源消耗预计将增长近50%，这对当前的电池技术提出了巨大的挑战。尽管锂离子系统仍占据主导地位，但新兴电池化学体系（如氧化还原液流电池、铝空气电池、水系电池）正试图解决成本、安全性与环境影响问题。然而，水分引起的不稳定性依然是关键难题。研究发现，与总含水量相比，水分活度能更准确预测电解液性能变化。通过控制水分活度，制造商可以提高电池寿命并防止因水分引起的故障。

背景介绍

随着美国能源信息署预测到2050年全球能源需求可能几乎翻倍，对大规模、高可靠性的储能系统的需求变得愈加迫切。尽管锂离子电池仍是核心技术，但它们面临材料和可扩展性方面的挑战，这促使人们对诸如水基（即水溶性）系统等替代方案产生浓厚兴趣。

•氧化还原液流电池使用可氧化还原的电解液，在流经电化学电池时产生电流；

•铝-空气电池则利用高密度的铝阳极与氧气作为阴极来生成电能，从而实现功率与能量的解耦。

然而，这些替代技术都面临一个共同难题：难以控制水分含量。如果水分管理不当，在潮湿环境下其性能可能会迅速下降。

2.1 深共熔溶剂与水敏感性

深共熔溶剂（DES）因其低毒性、合成简单、结构可调而受到广泛关注。由氢键供体与受体（如乙二醇与胆碱氯化物）构成的DES，易吸收空气中水分，导致氢键网络变化，从而影响电化学稳定性。传统干燥方法虽能减少水分，但无法区分结合态水与高能态自由水，后者更易参与电化学反应并造成腐蚀。

2.2 水分活度作为指导参数

水分活度（即水的热力学活性）已被证明比总含水量更可靠地与体系的粘度、电导率或氧化还原电位变化相关联。

被稳定络合物化学结合的水通常较为惰性，而即使是微小变化的高能量水，也可能导致腐蚀加剧、电池容量下降，甚至引发相分离。因此，工业界和学术界的研究重点已经从单纯“干燥溶剂”转向精准调控水的能量状态，以期在实验室和实际应用中获得更准确、可重复的结。

问题描述

传统的干燥方法（例如真空抽吸或筛分）虽然可以降低整体水分含量，但无法判断有多少水分仍以化学方式结合在溶剂中。

氧化还原液流电池和铝-空气电池被认为比锂离子电池更安全且更具可扩展性，然而，如果水分活度未得到妥善控制，它们的电解液可能会变得不稳定。

即使水分摄入量略微增加，也可能使 ethaline 类型的深共熔溶剂（DES）从几乎理想的状态转变为明显不理想的状态。

这是因为新吸收的水分子会重新排列局部的氢键网络，而这种变化无法通过传统的总含水量测量方法检测到。

此外，标准的干燥技术并不能区分水的能量状态，它们仅仅是去除大部分水分而已。

在水含量较低、体系非理想行为更明显的条件下，任何残留的高能量水都可能导致金属部件腐蚀、扰乱电化学数据，甚至掩盖真实的溶剂稳定性边界（如果这些水参与反应）。这种忽视将威胁到那些试图在成本、安全性或可扩展性方面超越锂电池的新兴电池技术的经济可行性。

此外，如果不对水分活度进行精确监测，研究人员就有可能误读关键的电化学结果，从而在制造过程中引入不一致性，缩短设备的使用寿命。

在《电池技术中新兴应用中的水分活度重要性（上）》中，我们探讨了未来能源增长对电池技术提出的挑战，并介绍了水分活度在新兴电池体系中的关键作用。传统干燥方法难以识别“高能自由水”，而水分活度作为更准确的热力学参数，能更有效预测和调控电解液的性能稳定性。特别是在深共熔溶剂（DES）等体系中，即便微量水分变化也可能带来显著影响。因此，科学合理地监控和控制水分活度，正逐步成为下一代电池材料研究与工程化应用的关键。紧接上期内容，本期将继续探讨如何通过精确测量水分活度实现对溶剂体系的有效控制、不同工艺环境下的调节策略，以及借助电解质设计手段进一步拓展DES在电池技术中的应用边界。

在下图中，比较了乙二醇（EG）及其深共熔溶剂变体 ethaline 在水含量从 0% 增加至 100% 过程中的表现。图1a 和图1b 展示了水分活度（aw）与水的摩尔分数（Xw）之间的关系。结果显示，在低水浓度下，EG 和 ethaline 都明显偏离理想参考线（虚线），说明溶剂与水的相互作用并不理想。随着水分含量的增加，这些曲线逐渐趋近于理想线，表明当达到某一浓度后，这些混合物的行为更接近于常规溶液。

1. 图(a)和图(b)分别是乙二醇（EG）和ethaline 在 25°C 下，不同水的摩尔分数条件下的水分活度（aw）

根据图（c），乙二醇（EG）表现出较强的吸水性，说明其对水具有高度亲和力。相比之下，ethaline 在初始阶段的吸水速率较低，但随着加水量的增加，吸湿速率明显上升。

2. 图(c)和图(d)是乙二醇（EG）和 ethaline 的吸湿等温线。图中每一个数据点代表在不同加水量（质量百分比从0-100%）条件下所采集的数据

这些观察结果有助于确定一个关键点:即水的能量开始随着水分含量的增加而迅速变化的节点。这种变化会影响到诸如氢气析出或溶剂降解等过程，并反映出每种溶剂吸收和保持水分的能力.在工业应用中，这类信息对于工艺开发至关重要，控制水分含量与理解溶剂的稳定性都是关键因素。

解决方案

对水分活度的精确测量可以直接解决与湿度相关的问题，因为与传统的干燥度分析相比，它对水的能量变化更为敏感。

通过测量水分活度，可以在电池制造、储存及溶液配制过程中有效监控溶剂的状态，从而实现更加精准的湿度控制。例如，在手套箱中进行关键操作，可以防止湿气重新被吸收，从而避免早前干燥工作的失效。此外，若在早期就检测到水分活度的变化，还可以实时调整真空干燥或分子筛处理过程，以最大限度减少残留水分。

将水的能量保持在某一安全阈值以下，可以有效维持溶剂所需的离子传输路径与氧化还原窗口，从而在不同工作条件下保持设备性能的稳定性。除了严格的湿度控制之外，还可以通过“电解质定制（electrolyte tailoring）”来提升深共熔溶剂（DES）的性能。例如，引入具有离子相互作用的共添加剂，使其与水竞争结合，可减弱微量水分对水能量的不良影响。

另一种方法是修改胆碱氯化物或乙二醇中的功能基团，从而减少引入水分后对氢键结构或溶液粘度的影响。还有一种策略是将DES与合适的共溶剂混合形成杂化体系，从而扩展电解液的稳定工作范围。

这些改良性措施若与精确的水分活度控制相结合，能够保持基于DES的电解液在大规模电池系统中的优势。

结论

水分活度测量是研究电池溶剂（如深共熔溶剂 DES 或离子液体）的理想手段，这些溶剂被认为是电池电解液的可行选择。通过测量这类溶剂体系中的水分活度，可以更深入地理解其在有水或无水条件下的电化学性能。这点尤为重要，因为水的能量状态变化会影响溶液中几乎所有的物理参数。尤其是，电化学性能与稳定性会直接受到水分活度变化的显著影响。

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