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電池技術(shù)新興應(yīng)用中的水分活度重要性(上)

電池技術(shù)新興應(yīng)用中的水分活度重要性(上)
麥奇克/Microtrac  2025-06-10  |  閱讀:297

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一、摘要 

到2050年,全球能源消耗預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)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。


二、背景介紹 

隨著美國(guó)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(yáng)極與氧氣作為陰極來(lái)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(jiǎn)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(wú)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)。


 三、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(wú)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(wú)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。


下期預(yù)告

下期,我們將深入探討如何通過科學(xué)手段精確測(cè)量與調(diào)控水分活度,破解水基電解質(zhì)不穩(wěn)定的技術(shù)難題。不僅如此,我們還將揭示電解液定制策略如何與水分活度聯(lián)動(dòng),賦能下一代深共熔溶劑體系,為電池在極端環(huán)境下的性能穩(wěn)定性提供全新解決方案。如果您關(guān)注電池技術(shù)的前沿突破,下一期將為您帶來(lái)更多實(shí)用的設(shè)計(jì)思路與實(shí)驗(yàn)啟示,不容錯(cuò)過!


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瑞士Novasina水分活度儀 

作為全球高精度水分活度測(cè)量領(lǐng)域的領(lǐng)先品牌,瑞士Novasina水分活度儀采用專利電阻電解測(cè)試傳感器,被收錄于美國(guó)藥典USP922及ISO18787。精度高達(dá)±0.003aw,具備出色的穩(wěn)定性,可精準(zhǔn)測(cè)試4%-100%范圍內(nèi)樣品水分活度。儀器具備標(biāo)準(zhǔn)品自動(dòng)識(shí)別校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)審計(jì)追蹤、21 CFR Part 11合規(guī)等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于制藥、食品及科研單位,為水分活度標(biāo)準(zhǔn)化與驗(yàn)證提供了有力支持。


本次交流標(biāo)志著國(guó)際專家與中國(guó)藥典編寫單位在水分活度標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)上的深度協(xié)作,為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)制定奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。  


LabMaster-aw neo  


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1、目前市面上,唯一提供可重復(fù)使用的飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)品,降低用戶日常驗(yàn)證儀器使用成本。


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電阻電解液法具備以下特點(diǎn)

① 準(zhǔn)確度可達(dá)±0.003aw

② 數(shù)據(jù)穩(wěn)定無(wú)遲滯效應(yīng)

③ 可測(cè)試揮發(fā)性樣品


2、Novasina Lab master-aw neo 水活度測(cè)試市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者


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① 自動(dòng)控溫0-60℃,消除溫度干擾

② 標(biāo)準(zhǔn)品可重復(fù)使用,降低使用成本

③ 自動(dòng)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)品,一鍵校準(zhǔn),操作簡(jiǎn)單

④ 多種分析模式,滿足不同測(cè)試需求

⑤ 自動(dòng)以圖譜形式顯示水活度隨溫度變化趨勢(shì)

⑥ 10.4寸超大彩色液晶顯示屏,防水鍵盤


3、Novasina Lab master-aw neo專為制藥水活度研究設(shè)計(jì)

? Novasina等溫吸附曲線建立專用SI附件


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① 標(biāo)準(zhǔn)品可覆蓋從4%-100%,滿足固體、半固體、液體等各類制劑的驗(yàn)證需求。


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② 儀器采用電阻電解液法測(cè)試原理,可解決露點(diǎn)等測(cè)試原理無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)試低水分活度產(chǎn)品的缺陷,常見的低水分活度產(chǎn)品如:凍干粉、片劑、粉劑等。


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大昌華嘉科學(xué)儀器部

大昌華嘉專注為制藥行業(yè)提供尖端分析技術(shù)與解決方案,獨(dú)家代理歐美高精尖儀器并推動(dòng)其在中國(guó)市場(chǎng)的本土化應(yīng)用。核心產(chǎn)品線覆蓋藥物研發(fā)全鏈條需求:推行符合中國(guó)藥典 9211 指導(dǎo)原則的水分活度測(cè)定,顆粒表征技術(shù)(如激光粒度儀,比表面分析儀)確保原料藥工藝穩(wěn)定性;表面分析設(shè)備(如光學(xué)接觸角測(cè)量)助力藥物包材相容性研究;物性測(cè)定(如旋光,折光,密度)滿足生物藥活性成分及雜質(zhì)精準(zhǔn)分析。公司深度參與制藥產(chǎn)業(yè)升級(jí),服務(wù)涵蓋化藥,疫苗、細(xì)胞治療質(zhì)控、中藥數(shù)字化溯源等場(chǎng)景,客戶包括跨國(guó)藥企、本土創(chuàng)新藥企、CDMO,及大學(xué)科研,政府及第三方測(cè)檢機(jī)構(gòu)。


依托全國(guó)多網(wǎng)點(diǎn)服務(wù)體系,大昌華嘉為制藥客戶提供符合FDA/EMA/GMP標(biāo)準(zhǔn)的儀器驗(yàn)證、緊急故障響應(yīng)及培訓(xùn)。大昌華嘉業(yè)務(wù)持續(xù)增長(zhǎng),在制藥、醫(yī)學(xué)、生物科技等生命科學(xué)領(lǐng)域市場(chǎng)份額領(lǐng)先,同時(shí)服務(wù)于新能源、石化、食品等行業(yè)的品質(zhì)控制需求,以技術(shù)賦能中國(guó)智造。


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