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盖世汽车 2021-12-02

新研究揭示水系锂离子电池中的离子传输机制

在锂离子传输机制中,水发挥了重要作用,而不仅仅是超浓水电解质中的溶解盐。

盖世汽车讯 锂离子电池中的有机电解质具有易燃性,易引发火灾事故。人们一直致力于以水基电解质为更安全的替代品。然而,水分子在电池内被电解成氢和氧,会引起诸多问题,如效率低、器件寿命短和安全问题,从而阻碍这一进程。

(图片来源:IBS)

为了抑制发生不必要的水电解,需要在水性锂离子电池中以极高的浓度将盐溶解。这些电解质中盐的体积和重量都高于水,被称为盐包水电解质(WiSE)。这种电解质的粘度非常高,理论上会阻碍锂离子传输。传统理论预测,水 - 电解质体系将在这种超浓缩环境中以均匀混合物的形式存在。换句话说,所有的水分子都应该与离子相互作用,从而完全破坏水分子之间的氢键。

然而,在这些高粘度 WiSE 电解质中,锂离子的传输速度往往出人意料地快。以前的研究通过拉曼光谱和分子动力学(MD)模拟进行观察,发现在这些超浓电解质中,孤立的水分子被离子完全包围,从而阐明 WiSE 中的水分子具有扩展电化学稳定窗口。但这还不足以解释 WiSE 中锂离子的快速传输现象。

据外媒报道,最近,韩国基础科学研究所(IBS)的分子光谱和动力学中心(CMSD)和大邱庆北科学技术院(DGIST)的研究团队发现,水动力学与锂离子传输之间具有关联性。研究人员使用偏振选择性红外泵探光谱(IR-PP)和介电弛豫光谱(DRS),观察超浓盐溶液中的水分子。

IR-PP 是一种时间分辨非线性光谱,能够检测单个水分子的振动和旋转动力学(rotational dynamics),可用于确定其氢键伙伴。同时,作为补充工具,DRS 可以测量电解质中化学物质的浓度,帮助确定溶液的整体性质。

通过这些技术,研究小组观察到,WiSE 中的大量块状水(bulk-like water)表现出纯水的特性。这意味着即使在超高盐浓度(28 m)下,仍有大量水分子的 " 口袋 " 与其他水分子形成氢键,这表明在纳米尺度上溶剂化结构的不均匀性。此外,事实证明,块状水的旋转动力学比阴离子束缚水更快。通过些观察,可以确定相对于高粘度的超浓水电解质锂离子快速传输的原因。

研究人员强调,这是首例解释从分子水平观察超浓水电解质中水分子动力学的案例。IR-PP 具有根据水分子的氢键伙伴区分和观察水分子的能力,所以可能做到这一点。CMSD 负责人 CHO Min Haeng 教授表示:" 在锂离子传输机制中,水发挥了重要作用,而不仅仅是超浓水电解质中的溶解盐。本项研究有望为开发其他能在分子水平上促进锂离子传输的超浓电解质提供设计原理。"

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