水分活度：解锁高电压水性电解质的关键？

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.

水性电解质因其安全性和环境友好性，在下一代储能系统中展现出巨大的潜力。然而，其狭窄的电化学稳定性窗口限制了其在高电压应用中的表现。水分活度（water activity, aw）作为影响电解质性能的关键因素，可能成为解锁高电压水性电解质的关键。

水分活度与电化学稳定性窗口的关系

研究表明，水分活度的降低可以显著影响水性电解质的电化学稳定性窗口，尤其是通过抑制氧析出反应（OER）来扩展电压窗口。这种效应主要是由动力学因素驱动的，而非热力学因素。通过降低水分活度，电解质的电化学稳定性窗口得以扩大，从而为高电压应用提供了可能性。

当前扩展策略的挑战

尽管高浓度电解质、盐包水系统和疏水性离子等方法能够有效降低水分活度并扩大电化学窗口，但这些方法也带来了离子电导率下降和粘度增加等问题。例如，在“盐包水”电解质中，电导率降至与有机电解质相当的水平，而粘度则呈指数增长。这些问题限制了这些电解质在实际应用中的性能。

平衡设计的重要性

为了克服这些挑战，研究人员主张在水性电解质的设计中采取平衡的方法，综合考虑以下因素：

• 离子迁移率：确保电解质具有足够的离子导电性。

• 盐溶解度：优化盐的浓度以平衡电化学性能和物理性质。

• 粘度：降低粘度以提高电解质的流动性和电池的充放电效率。

• 操作温度范围：确保电解质在宽温度范围内保持稳定。

• 电化学稳定性：通过调控水分活度来扩展电化学窗口。

水分活度的测量

水分活度的精确测量对于优化电解质性能至关重要。例如，美国Addium, Inc.公司的AquaLab 4TE水分活度仪能够以±0.003 a_w的准确性测量电解质的水分活度，为研究和开发提供了可靠的工具。

未来展望

水分活度的调控为高电压水性电解质的设计提供了新的思路。通过深入研究水分活度对电极反应动力学和系统稳定性的影响，研究人员可以开发出更高效、更安全的水性电解质，推动下一代储能系统的发展。

总之，水分活度可能是解锁高电压水性电解质性能的关键。通过平衡设计，研究人员可以克服当前扩展策略的局限性，为未来的能源存储解决方案开辟新的可能性。