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电池技术新兴应用中的水分活度重要性(下)

大昌华嘉科学仪器
2025.7.07
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电池技术中新兴应用中的水分活度重要性(上) <<<<< ?上篇回顾


在《电池技术中新兴应用中的水分活度重要性(上)》中,我们探讨了未来能源增长对电池技术提出的挑战,并介绍了水分活度在新兴电池体系中的关键作用。传统干燥方法难以识别“高能自由水”,而水分活度作为更准确的热力学参数,能更有效预测和调控电解液的性能稳定性。特别是在深共熔溶剂(DES)等体系中,即便微量水分变化也可能带来显著影响。因此,科学合理地监控和控制水分活度,正逐步成为下一代电池材料研究与工程化应用的关键。紧接上期内容,本期将继续探讨如何通过精确测量水分活度实现对溶剂体系的有效控制、不同工艺环境下的调节策略,以及借助电解质设计手段进一步拓展DES在电池技术中的应用边界。


在下图中,比较了乙二醇(EG)及其深共熔溶剂变体 ethaline 在水含量从 0% 增加至 100% 过程中的表现。图1a 和图1b 展示了水分活度(aw)与水的摩尔分数(Xw)之间的关系。结果显示,在低水浓度下,EG 和 ethaline 都明显偏离理想参考线(虚线),说明溶剂与水的相互作用并不理想。随着水分含量的增加,这些曲线逐渐趋近于理想线,表明当达到某一浓度后,这些混合物的行为更接近于常规溶液。

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1. 图(a)和图(b)分别是乙二醇(EG)和ethaline 在 25°C 下,不同水的摩尔分数条件下的水分活度(aw)


根据图(c),乙二醇(EG)表现出较强的吸水性,说明其对水具有高度亲和力。相比之下,ethaline 在初始阶段的吸水速率较低,但随着加水量的增加,吸湿速率明显上升。


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2. 图(c)和图(d)是乙二醇(EG)和 ethaline 的吸湿等温线。图中每一个数据点代表在不同加水量(质量百分比从0-100%)条件下所采集的数据


这些观察结果有助于确定一个关键点:即水的能量开始随着水分含量的增加而迅速变化的节点。这种变化会影响到诸如氢气析出或溶剂降解等过程,并反映出每种溶剂吸收和保持水分的能力.在工业应用中,这类信息对于工艺开发至关重要,控制水分含量与理解溶剂的稳定性都是关键因素。


?解决方案?

对水分活度的精确测量可以直接解决与湿度相关的问题,因为与传统的干燥度分析相比,它对水的能量变化更为敏感。


通过测量水分活度,可以在电池制造、储存及溶液配制过程中有效监控溶剂的状态,从而实现更加精准的湿度控制。例如,在手套箱中进行关键操作,可以防止湿气重新被吸收,从而避免早前干燥工作的失效。此外,若在早期就检测到水分活度的变化,还可以实时调整真空干燥或分子筛处理过程,以最大限度减少残留水分。


将水的能量保持在某一安全阈值以下,可以有效维持溶剂所需的离子传输路径与氧化还原窗口,从而在不同工作条件下保持设备性能的稳定性。除了严格的湿度控制之外,还可以通过“电解质定制(electrolyte tailoring)”来提升深共熔溶剂(DES)的性能。例如,引入具有离子相互作用的共添加剂,使其与水竞争结合,可减弱微量水分对水能量的不良影响。


另一种方法是修改胆碱氯化物或乙二醇中的功能基团,从而减少引入水分后对氢键结构或溶液粘度的影响。还有一种策略是将DES与合适的共溶剂混合形成杂化体系,从而扩展电解液的稳定工作范围。


这些改良性措施若与精确的水分活度控制相结合,能够保持基于DES的电解液在大规模电池系统中的优势


? ?结论 ??

水分活度测量是研究电池溶剂(如深共熔溶剂 DES 或离子液体)的理想手段,这些溶剂被认为是电池电解液的可行选择。通过测量这类溶剂体系中的水分活度,可以更深入地理解其在有水或无水条件下的电化学性能。这点尤为重要,因为水的能量状态变化会影响溶液中几乎所有的物理参数。尤其是,电化学性能与稳定性会直接受到水分活度变化的显著影响。


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?瑞士Novasina水分活度仪?

作为全球高精度水分活度测量领域的领先品牌,瑞士Novasina水分活度仪采用专利电阻电解测试传感器,被收录于美国药典USP922及ISO18787。精度高达±0.003aw,具备出色的稳定性,可精准测试4%-100%范围内样品水分活度。仪器具备标准品自动识别校准、数据审计追踪、21 CFR Part 11合规等多项优势,广泛应用于制药、食品及科研单位,为水分活度标准化与验证提供了有力支持。


本次交流标志着国际专家与中国药典编写单位在水分活度标准建设上的深度协作,为后续标准的科学制定奠定了坚实基础。

? LabMaster-aw neo ?

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1、目前市面上,唯一提供可重复使用的饱和盐溶液标准品,降低用户日常验证仪器使用成本。

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电阻电解液法具备以下特点

① 准确度可达±0.003aw

② 数据稳定无迟滞效应

③ 可测试挥发性样品

2、Novasina Lab master-aw neo 水活度测试市场领导者

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① 自动控温0-60℃,消除温度干扰

② 标准品可重复使用,降低使用成本

③ 自动识别标准品,一键校准,操作简单

④ 多种分析模式,满足不同测试需求

⑤ 自动以图谱形式显示水活度随温度变化趋势

⑥ 10.4寸超大彩色液晶显示屏,防水键盘


3、Novasina Lab master-aw neo专为制药水活度研究设计

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? Novasina等温吸附曲线建立专用SI附件

① 标准品可覆盖从4%-100%,满足固体、半固体、液体等各类制剂的验证需求。

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② 仪器采用电阻电解液法测试原理,可解决露点等测试原理无法精准测试低水分活度产品的缺陷,常见的低水分活度产品如:冻干粉、片剂、粉剂等。

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大昌华嘉科学仪器部

大昌华嘉专注为制药行业提供尖端分析技术与解决方案,独家代理欧美高精尖仪器并推动其在中国市场的本土化应用。核心产品线覆盖药物研发全链条需求:推行符合中国药典 9211 指导原则的水分活度测定,颗粒表征技术(如激光粒度仪,比表面分析仪)确保原料药工艺稳定性;表面分析设备(如光学接触角测量)助力药物包材相容性研究;物性测定(如旋光,折光,密度)满足生物药活性成分及杂质精准分析。公司深度参与制药产业升级,服务涵盖化药,疫苗、细胞治疗质控、中药数字化溯源等场景,客户包括跨国药企、本土创新药企、CDMO,及大学科研,政府及第三方测检机构。


依托全国多网点服务体系,大昌华嘉为制药客户提供符合FDA/EMA/GMP标准的仪器验证、紧急故障响应及培训。大昌华嘉业务持续增长,在制药、医学、生物科技等生命科学领域市场份额领先,同时服务于新能源、石化、食品等行业的品质控制需求,以技术赋能中国智造。

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