电极采用的新型锥形流道设计提高了电池驱动海水淡化的效率，与反渗透法相比有可能减少能源消耗。这一突破或许对其他电化学装置有益，但还需要解决制造方面的挑战。

工程师们已经开发出一种解决方案，用于消除电池驱动的海水淡化用电极中的流体流动“死区”。这一突破性进展涉及电极内部采用物理驱动的锥形流道设计，使流体运动更快、更高效。与传统的反渗透技术相比，该设计有可能减少能源消耗。

海水淡化技术面临着重大挑战，阻碍了其广泛应用。最常见的方法是反渗透法，即强迫水通过滤膜来过滤掉盐分，但这种方法既耗能又昂贵。相比之下，电池海水淡化法则是利用电力去除水中的带电盐离子。然而，这种方法也需要能量来推动水通过带有微小而不规则孔隙空间的电极，这一直是限制因素——直到现在。

一种新方法：结构化流道

领导此次研究的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程学教授凯尔·史密斯表示：“传统电极仍需要能量来泵送流体，因为它们不包含任何固有的结构化流道。”“然而，通过在电极内部创建流道，该技术可能需要较少的能量来推动水流通过，并且最终可能比反渗透过程中常用的技术更高效。”

史密斯基于电池的脱盐技术源自其研究团队在伊利诺伊大学（University of Illinois）多年来的建模和实验，其研究成果最终体现在最近的一项研究中，该研究首次使用了包含微小微通道的电极，这些微通道被称为交叉指状流场。

该团队的新研究同样在电极中加入了直接内馈流场 (IDFF)，但此次的通道形状为锥形，而非直线型。锥形通道电极可将流体流量（或渗透率）提高2到3倍，优于直线型通道。相关研究成果已发表于《电化学学报》（Electrochimica Acta）。

伊利诺伊州的研究生哈比卜·拉赫曼说：“我们最初对电极中的直通道进行研究，结果发现了电极内部的死区，那里的压力会下降，且流动分布不均匀。”“为了克服这一挑战，我们创建了包含28种不同直通道的数据库，用以进行实验，了解电导率和流量变化，并最终实施了这种通道锥度技术。”

挑战与未来应用

史密斯和拉赫曼表示，在实验过程中，他们面临了一些制造方面的挑战，特别是要在电极上研磨出通道，这需要花费很长时间，而在任何扩大生产的场景中，这都会成为问题。然而，史密斯表示，他们有信心克服这一挑战。

史密斯表示：“除了对电化学脱盐技术的影响外，我们的通道变窄理论及相关设计原则还可直接应用于任何其他使用流动流体的电化学装置，包括用于能源存储转换和环境可持续性的燃料电池、电解池、液流电池、碳捕获装置和锂回收装置等。与以往采用即兴设计的通道变窄策略不同，我们在此提出的方法提供了基于物理学的设计指南，以创造均匀流动，同时最大限度地减少压降。”

参考文献：《用于海水淡化及其他领域的锥形交错通道实现多孔电极中的均匀低压流动》，作者：Md Habibur Rahman、Irwin C. Loud IV、Vu Q. Do、Md Abdul Hamid和Kyle C. Smith，发表于2025年1月1日，《电化学学报》。DOI：10.1016/j.electacta.2024.145632

本研究由海军研究办公室资助。史密斯、拉赫曼以及本研究的其他合著者欧文·劳德四世、武多和阿卜杜勒·哈米德在美国专利申请17/980,017、17/980,023和63/743,995下拥有待批专利。