电池技术中新兴应用中的水分活度重要性（上）

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。

下期预告

下期，我们将深入探讨如何通过科学手段精确测量与调控水分活度，破解水基电解质不稳定的技术难题。不仅如此，我们还将揭示电解液定制策略如何与水分活度联动，赋能下一代深共熔溶剂体系，为电池在极端环境下的性能稳定性提供全新解决方案。如果您关注电池技术的前沿突破，下一期将为您带来更多实用的设计思路与实验启示，不容错过！

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