Tegen 2050 zal het wereldwijde energieverbruik naar verwachting met bijna 50% toenemen. Dat stelt bestaande batterijtechnologieën voor een grote uitdaging op het gebied van duurzaamheid en kostenefficiëntie. Hoewel lithium-ion nog steeds de markt domineert, richten nieuwe chemieën zoals redox flow, aluminium-lucht en watergedragen batterijen zich op kosten, veiligheid en milieuaspecten. Toch blijven vochtgevoeligheid en instabiliteit een groot probleem. Zelfs minimale hoeveelheden water kunnen het gedrag van elektrolyten drastisch beïnvloeden. Wateractiviteit, een maat voor de energietoestand van water, blijkt een betrouwbaardere indicator voor prestatievariatie dan het totale watergehalte. Door het meten en beheersen van de wateractiviteit met nauwkeurige instrumenten kunnen fabrikanten de prestaties van elektrolyten stabiliseren, vochtgerelateerde uitval voorkomen en de levensduur van batterijen verlengen.
Inleiding en achtergrond
De drang naar alternatieve batterijen
Naarmate de energiebehoefte verdubbelt richting 2050, groeit de vraag naar betrouwbare en grootschalige energieopslag. Lithium-ion blijft belangrijk, maar door materiaalkosten en schaalbaarheidsproblemen groeit de belangstelling voor alternatieven zoals redox flow en aluminium-luchtbatterijen. Deze technologieën gebruiken vloeibare elektrolyten of lucht als kathode om prestaties te verbeteren, maar hebben moeite met vochtcontrole.
Diepe eutectische oplosmiddelen (DES) en vochtgevoeligheid
DES zijn populair vanwege hun lage toxiciteit, eenvoudige synthese en aanpasbare chemische structuur. Ze bestaan meestal uit waterstofdonoren (zoals glycolen) en acceptoren (zoals cholinechloride) en zijn zeer hygroscopisch. Extra water verandert de waterstofbindingsnetwerken en tast de elektrochemische stabiliteit aan. Klassieke droogmethoden, zoals vacuüm of moleculaire zeven, verwijderen bulkvocht maar maken geen onderscheid tussen gebonden en reactief (hoog-energetisch) water.
Wateractiviteit als leidende parameter
Wateractiviteit correleert beter met veranderingen in viscositeit, geleidbaarheid en redoxpotentieel dan het totale vochtgehalte. Chemisch gebonden water is relatief inert, terwijl kleine hoeveelheden vrij water corrosie en prestatieverlies kunnen veroorzaken. De focus verschuift daarom van droogte naar nauwkeurige regulatie van de energie van water.
Probleembeschrijving
Droogmethoden verlagen het totale vochtgehalte, maar geven geen inzicht in hoe actief dat water is. Vooral bij lage concentraties kan reactief water corrosie en instabiliteit veroorzaken. Zonder controle over wateractiviteit kunnen elektrochemische testresultaten misleidend zijn, ontstaan er productieverschillen en worden levensduren van batterijen verkort.
Een grafiek laat zien hoe ethyleenglycol (EG) en ethaline (een 1:2 mengsel van cholinechloride en ethyleenglycol) reageren bij toenemende vochtfractie. Bij lage concentraties wijken ze af van ideaal gedrag. Ethaline neemt aanvankelijk minder water op, maar absorbeert sneller zodra er meer water beschikbaar is — dit beïnvloedt processen zoals waterstofontwikkeling of degradatie.
Mogelijke oplossingen
Wateractiviteitsmetingen zijn gevoeliger voor energiewijzigingen van water dan klassieke droogteanalyses. Tijdens batterijproductie, opslag en menging kan zo de vochtigheid beter gereguleerd worden. Werkzaamheden in een handschoenkast kunnen herabsorptie voorkomen. Door vroegtijdige detectie van wateractiviteit kunnen aanpassingen in real-time worden doorgevoerd.
Behalve luchtvochtigheidscontrole kan de prestatie van DES verbeterd worden door:
- elektrolyt op maat te maken,
- co-additieven toe te voegen die concurreren voor waterbinding,
- functionele groepen in de basiscomponenten aan te passen,
- of DES te mengen met co-oplosmiddelen.
Deze strategieën
, gecombineerd met wateractiviteitsmetingen, maken DES-elektrolyten geschikt voor grootschalige batterijtoepassingen.
Conclusie
Wateractiviteit is een cruciale parameter bij het bestuderen van nieuwe batterijoplossingen zoals DES of ionische vloeistoffen. Aangezien de energietoestand van water alle fysische eigenschappen beïnvloedt, is een goede beheersing essentieel voor stabiele en betrouwbare elektrochemische prestaties.
