Механизм переноса ионов в водных литий-ионных аккумуляторах

Молекулы воды, которые образуют водородные связи с другими молекулами воды, обладают быстрой динамикой вращения. Свойства быстрого вращения молекул воды способствуют переносу литий-ионных ионов за счет миграции транспортных средств. Предоставлено: Институт фундаментальных наук.

Микроскопическое понимание структуры сольватации показывает неоднородность суперконцентрированных водно-солевых электролитов.

Литий-ионные батареи известны своей опасностью возгорания из-за их легковоспламеняющихся органических электролитов. Таким образом, было приложено много усилий для использования электролитов на водной основе в качестве более безопасной альтернативы. Однако этому препятствует проблема молекул воды, подвергающихся электролизу в водород и кислород внутри батареи, что вызывает различные проблемы, такие как низкая эффективность, короткий срок службы устройства и проблемы с безопасностью.

Подавление электролиза воды

Чтобы подавить нежелательный электролиз воды, необходимо растворять соли в очень высоких концентрациях в водных литий-ионных батареях.

И объем, и вес соли в этих электролитах выше, чем у воды, и поэтому они называются водно-солевыми электролитами (WiSE). В результате вязкость электролита очень высока, что теоретически должно препятствовать переносу ионов лития. Это вполне ожидаемо в соответствии с традиционной теорией, согласно которой система вода-электролит существует как гомогенная смесь в этой сверхконцентрированной среде. Другими словами, все молекулы воды должны взаимодействовать с ионами, и таким образом водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются.

Однако литий-ионный транспорт в этих высоковязких WiSE оказывается неожиданно быстрым. Предыдущие исследования использовали рамановскую спектроскопию и моделирование молекулярной динамики (МД), чтобы выяснить расширенное окно электрохимической стабильности молекул воды в WiSE, наблюдая за изолированными молекулами воды, которые полностью окружены ионами внутри этих сверхконцентрированных водных электролитов. Тем не менее, этого было недостаточно для объяснения быстрого транспорта литий-ионов в WiSE.

Недавно исследовательская группа из Центра молекулярной спектроскопии и динамики (CMSD) Института фундаментальных наук (IBS) и Института науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST) обнаружила корреляцию между динамикой воды и переносом литий-ионных ионов. Они использовали поляризационно-селективную инфракрасную спектроскопию с накачкой и зондом (IR-PP) и спектроскопию диэлектрической релаксации (DRS) для наблюдения молекул воды в сверхконцентрированном солевом растворе.

Как работает IR-PP спектроскопия

IR-PP — это нелинейная спектроскопия с временным разрешением, которая может обнаруживать колебательную и вращательную динамику отдельной молекулы воды, что полезно для определения ее партнера по водородным связям. Между тем, DRS служит дополнительным инструментом для измерения концентрации химических веществ, присутствующих в электролите, и дает ключ к разгадке общих свойств раствора.

Используя эти методы, команда заметила, что значительное количество объемной воды в WiSE проявляет свойства чистой воды. Это означает, что даже при сверхвысоких концентрациях соли (28 мкм) все еще существуют «карманы» объемных молекул воды, которые образуют водородные связи с другими молекулами воды, что указывает на неоднородность сольватационной структуры в наномасштабе.

Кроме того, оказалось, что динамика вращения объемной воды быстрее, чем у воды, связанной с анионами. Эти наблюдения определили причину быстрого переноса литий-ионов по сравнению с большой вязкостью сверхконцентрированных водных электролитов.

Исследователи подчеркнули:

• «Это исследование является первым случаем, объясняющим наблюдение динамики молекул воды в сверхконцентрированных водных электролитах на молекулярном уровне»
• «Это возможно, потому что IR-PP обладает способностью различать и наблюдать молекулы воды в соответствии к своему партнеру по водородной связи».

Профессор ЧО Мин Хенг, директор CMSD, сказал: «Вода играет важную роль в механизмах транспорта литий-ионных ионов, а не только в растворенных солях в суперконцентрированных водных электролитах. Ожидается, что это исследование предоставит принцип дизайна для других суперконцентрированных электролитов на молекулярном уровне, которые могут способствовать переносу ионов лития».

Источник

Метки: энергия