水分活度：解鎖高電壓水性電解質的關鍵？

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.

水性電解質因其安全性和環境友好性，在下一代儲能系統中展現出巨大的潛力。然而，其狹窄的電化學穩定性窗口限制了其在高電壓應用中的表現。水分活度（water activity, aw）作為影響電解質性能的關鍵因素，可能成為解鎖高電壓水性電解質的關鍵。

水分活度與電化學穩定性窗口的關系

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

當前擴展策略的挑戰

盡管高濃度電解質、鹽包水系統和疏水性離子等方法能夠有效降低水分活度并擴大電化學窗口，但這些方法也帶來了離子電導率下降和粘度增加等問題。例如，在“鹽包水"電解質中，電導率降至與有機電解質相當的水平，而粘度則呈指數增長。這些問題限制了這些電解質在實際應用中的性能。

平衡設計的重要性

為了克服這些挑戰，研究人員主張在水性電解質的設計中采取平衡的方法，綜合考慮以下因素：

• 離子遷移率：確保電解質具有足夠的離子導電性。

• 鹽溶解度：優化鹽的濃度以平衡電化學性能和物理性質。

• 粘度：降低粘度以提高電解質的流動性和電池的充放電效率。

• 操作溫度范圍：確保電解質在寬溫度范圍內保持穩定。

• 電化學穩定性：通過調控水分活度來擴展電化學窗口。

水分活度的測量

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

未來展望

水分活度的調控為高電壓水性電解質的設計提供了新的思路。通過深入研究水分活度對電極反應動力學和系統穩定性的影響，研究人員可以開發出更高效、更安全的水性電解質，推動下一代儲能系統的發展。

總之，水分活度可能是解鎖高電壓水性電解質性能的關鍵。通過平衡設計，研究人員可以克服當前擴展策略的局限性，為未來的能源存儲解決方案開辟新的可能性。