通過可充電電池技術儲存能量，我們的數字生活方式從此充滿了動力，一方面，可再生的能源又可以被納入電網。然而，在寒冷條件下的電池功能仍然是一個挑戰，促使人們研究改善電池的低溫性能。水性電池（在液體溶液中）在低溫下的放電速率（衡量每單位時間內放出的能量）方面比非水性電池好。

香港大學的工程師們的新研究最近發表在《納米研究能源》雜誌上，提出了用於低溫水溶液電池的水溶液電解質的最佳設計元素。該研究根據幾個指標審查了水電解質的物理化學特性（決定其在電池中的性能）：相圖、離子擴散率和氧化還原反應的動力學。

低溫水溶液電池的主要挑戰是，電解質凍結，離子擴散緩慢，氧化還原動力學（電子轉移過程）因此而遲緩。這些參數與電池中使用的低溫水基電解質的物理化學特性密切相關。

因此，為了提高電池在寒冷條件下的性能，需要了解電解質對寒冷（-50 oC至-95 oC / -58 oF至-139 oF）的反應。研究作者和副教授Yi-Chun Lu說：”為了獲得高性能的低溫水溶液電池（LT-ABs），研究水溶液電解質隨溫度變化的物理化學特性以指導低溫水溶液電解質（LT-AEs）的設計非常重要。”

圖中顯示了水電解質的設計策略，包括防凍熱力學、離子擴散動力學和界面氧化還原動力學。

研究人員比較了用於儲能技術的各種LT-AE，包括Li+/Na+/K+/H+/Zn2+-電池、超級電容器和流動電池技術。該研究整理了許多其他報告中有關各種LT-AEs性能的信息，例如用於Zn/MnO2水電池的防凍水凝膠電解質；以及用於Zn金屬電池的乙二醇（EG）-H2O混合電解質。

他們系統地研究了這些報導的LT-AEs的平衡和非平衡相圖，以了解它們的防凍機制。相圖顯示了電解質相在不同溫度下的變化。該研究還考察了LT-AEs的導電性與溫度、電解質濃度和電荷載體的關係。

研究作者Lu預測，”理想的防凍水電解質不僅應該表現出低冰點溫度Tm，還應該擁有強大的過冷能力”，即液體電解質介質甚至在低於冰點溫度時仍保持液體狀態，從而實現超低溫下的離子傳輸。

研究作者發現，使電池能夠在超低溫下運行的LT-AEs大多表現出低冰點和強過冷能力。此外，”強大的過冷能力可以通過提高最小結晶時間t和增加電解質的玻璃化溫度和凍結溫度（Tg/Tm）的比率值來實現”。

通過降低發生離子轉移所需的能量，調整電解質的濃度，以及選擇某些能促進快速氧化還原反應速率的電荷載體，可以改善所報導的用於電池的LT-AE的電荷傳導性。Lu說：”降低擴散激活能，優化電解質濃度，選擇具有低水合半徑的電荷載體，以及設計協同擴散機制，將是改善LT-AEs離子傳導性的有效策略。”

在未來，作者希望進一步研究有助於改善低溫下水電池性能的電解質的物理化學特性。Lu說：”我們希望通過設計具有低冰點溫度、強過冷能力、高離子導電性和快速界面氧化還原動力學的水基電解質來開發高性能的低溫水電池（LT-ABs）。”