Исследователи занимаются изучением механизма переноса ионов в водных литий-ионных аккумуляторах
Литий-ионные аккумуляторы известны своей опасностью возгорания из-за присутствия в их составе легковоспламеняющихся органических электролитов. Учёные приложили немало усилий для использования электролитов на водной основе, которые являются более безопасной альтернативой. Однако их использованию препятствует проблема молекулы воды, которые подвергаются электролизу на кислород и водород внутри. Это вызывает различные проблемы, среди которых малый срок службы, низкая эффективность и проблемы с безопасностью.
Изображение: Institute for Basic Science
Для подавления нежелательного электролиза воды требуется растворить соли в высоких концентрациях. Объём и вес соли в таких электролитах выше, чем у воды. Они получили название водно-солевые электролиты (WiSE). Из-за добавления большого количества солей повышается вязкость электролита. В теории это препятствует переносу ионов лития. Такой эффект вполне ожидаем в соответствии с традиционной теорией, согласно которой система вода-электролит существует в качестве гомогенной смеси в этой сверхконцентрированной среде. Однако учёным удалось установить, что перемещение ионов лития в этих высоковязких WiSE оказывается неожиданно быстрым.
В ходе предыдущих исследований для выяснения расширенного окна электрохимической стабильности молекул воды в WiSE использовались рамановская спектроскопия и моделирование молекулярной динамики (MD). Учёные наблюдали за изолированными молекулами воды, которые полностью окружены ионами в концентрированных водных электролитах. Однако этого оказалось недостаточно для объяснения быстрого перемещения ионов лития в WiSE.
Недавно группа исследователей из Центра молекулярной спектроскопии и динамики (CMSD) Института фундаментальных наук (IBS) и Института науки и технологий Daegu Gyeongbuk (DGIST) обнаружила зависимость между переносом ионов лития и динамикой воды. Для этого они использовали поляризационно-селективную инфракрасную спектроскопию с накачкой и зондом (IR-PP) и спектроскопию диэлектрической релаксации (DRS). С помощью этих методик они наблюдали молекулы воды в сверхконцентрированном солевом растворе.
IR-PP представляет собой нелинейную спектроскопию с временным разрешением. Она позволяет обнаруживать вращательную и колебательную динамику отдельной молекулы воды. Это полезно для определения её партнёра по водородным связям. А DRS учёные использовали в качестве дополнительного инструмента для измерения концентрации химических веществ, которые присутствуют в электролите. Это дало им ключ к разгадке общих свойств раствора.
Используя эти две методики, команда ученых заметила, что существенное количество объемной воды в WiSE демонстрирует свойства чистой воды. То есть, даже при сверхвысоких концентрациях соли остаются «карманы» объемных молекул воды, образующих водородные связи с другими молекулами воды. Это указывает на неоднородность сольватационной структуры в наномасштабе. Исследователи также обнаружили, что динамика вращения объёмной воды быстрее, чем у воды, связанной с анионами. По результатам этих наблюдений ученые определили причину быстрого переноса литий-ионных в сверхконцентрированных водных электролитах с высокой вязкостью.
Исследователи подчеркивают, что это первый эксперимент, который описывает «наблюдение динамики молекул воды в сверхконцентрированных водных электролитах на молекулярном уровне». Это стало возможным, поскольку IR-PP позволяет различать и наблюдать за молекулами воды с их партнером по водородной связи.
Директор CMSD, профессор Чо Мин Хенг (Cho Min Haeng) сказал, что вода играет важную роль в механизмах переноса ионов лития не только в суперконцентрированных водных электролитах. Он считает, что результаты данного исследования предоставят принцип дизайна для других суперконцентрированных электролитов на молекулярном уровне, которые могут способствовать перемещению ионов лития.
Результаты исследования были опубликованы в статье под названием «Dynamic Water promotes Lithium-Ion Transport in Superconcentrated and Eutectic Aqueous Electrolytes».
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
