水分活度：解鎖高電壓水性電解質(zhì)的關(guān)鍵？

Zhigalenok Y, Abdimomyn S, Levi M, et al. Water activity: the key to unlocking high-voltage aqueous electrolytes?[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2024, 12(48): 33855-33869.

水性電解質(zhì)因其安全性和環(huán)境友好性，在下一代儲能系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，其狹窄的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口限制了其在高電壓應(yīng)用中的表現(xiàn)。水分活度（water activity, aw）作為影響電解質(zhì)性能的關(guān)鍵因素，可能成為解鎖高電壓水性電解質(zhì)的關(guān)鍵。

水分活度與電化學(xué)穩(wěn)定性窗口的關(guān)系

研究表明，水分活度的降低可以顯著影響水性電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口，尤其是通過抑制氧析出反應(yīng)（OER）來擴(kuò)展電壓窗口。這種效應(yīng)主要是由動力學(xué)因素驅(qū)動的，而非熱力學(xué)因素。通過降低水分活度，電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口得以擴(kuò)大，從而為高電壓應(yīng)用提供了可能性。

當(dāng)前擴(kuò)展策略的挑戰(zhàn)

盡管高濃度電解質(zhì)、鹽包水系統(tǒng)和疏水性離子等方法能夠有效降低水分活度并擴(kuò)大電化學(xué)窗口，但這些方法也帶來了離子電導(dǎo)率下降和粘度增加等問題。例如，在“鹽包水"電解質(zhì)中，電導(dǎo)率降至與有機(jī)電解質(zhì)相當(dāng)?shù)乃?，而粘度則呈指數(shù)增長。這些問題限制了這些電解質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中的性能。

平衡設(shè)計(jì)的重要性

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員主張?jiān)谒噪娊赓|(zhì)的設(shè)計(jì)中采取平衡的方法，綜合考慮以下因素：

• 離子遷移率：確保電解質(zhì)具有足夠的離子導(dǎo)電性。

• 鹽溶解度：優(yōu)化鹽的濃度以平衡電化學(xué)性能和物理性質(zhì)。

• 粘度：降低粘度以提高電解質(zhì)的流動性和電池的充放電效率。

• 操作溫度范圍：確保電解質(zhì)在寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

• 電化學(xué)穩(wěn)定性：通過調(diào)控水分活度來擴(kuò)展電化學(xué)窗口。

水分活度的測量

水分活度的精確測量對于優(yōu)化電解質(zhì)性能至關(guān)重要。例如，美國Addium, Inc.公司的AquaLab 4TE水分活度儀能夠以±0.003 a_w的準(zhǔn)確性測量電解質(zhì)的水分活度，為研究和開發(fā)提供了可靠的工具。

未來展望

水分活度的調(diào)控為高電壓水性電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。通過深入研究水分活度對電極反應(yīng)動力學(xué)和系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，研究人員可以開發(fā)出更高效、更安全的水性電解質(zhì)，推動下一代儲能系統(tǒng)的發(fā)展。

總之，水分活度可能是解鎖高電壓水性電解質(zhì)性能的關(guān)鍵。通過平衡設(shè)計(jì)，研究人員可以克服當(dāng)前擴(kuò)展策略的局限性，為未來的能源存儲解決方案開辟新的可能性。