新研究揭示水系锂离子电池中的离子传输机制

盖世汽车锂离子电池中的有机电解质是易燃的，容易发生火灾事故。人们一直致力于使用水基电解质作为更安全的替代品。然而，水分子在电池内电解成氢气和氧气会导致许多问题，如效率低、设备寿命短和安全问题，这些问题阻碍了这一过程。

为了抑制不必要的水电解，有必要在水性锂离子电池中以极高的浓度溶解盐。这些电解质中的盐的体积和重量高于水，它们被称为水包盐电解质。这种电解质具有非常高的粘度，理论上阻碍了锂离子的传输。传统理论预测，在这种高浓度的环境中，水电解质系统将以均匀的混合物形式存在。换句话说，所有的水分子都应该与离子相互作用，以完全破坏水分子之间的氢键。然而，在这些高粘度的WiSE电解质中，锂离子的传输速度往往出乎意料地快。先前的研究通过拉曼光谱和分子动力学模拟观察到，在这些高浓度电解质中，分离的水分子完全被离子包围，从而阐明了水分子在WiSE中扩展的电化学稳定性窗口。但这还不足以解释锂离子在WiSE中的快速传输。据外媒报道，近日，韩国基础科学研究所分子光谱学与动力学中心和大邱庆北科学技术研究所的研究团队发现了流体动力学与锂离子传输之间的相关性。研究人员使用偏振选择性红外泵浦光谱和介电弛豫光谱来观察高浓度盐溶液中的水分子。IR-PP是一种时间分辨的非线性光谱，可以检测单个水分子的振动和旋转动力学，并可以用来确定它们的氢键伴侣。同时，作为一种辅助工具，DRS可以测量电解质中的化学物质浓度，帮助确定溶液的总体财产。通过这些技术，研究团队观察到WiSE中大量的块状水表现出纯水特性。这意味着，即使在超高盐浓度下，大量水分子的“口袋”仍然与其他水分子形成氢键，这表明纳米尺度上溶剂化结构的异质性。此外，已经证明嵌段水的旋转动力学比阴离子结合水更快。通过一些观察，可以确定锂离子相对于高粘度超浓水电解质快速传输的原因。研究人员强调，这是第一个解释在高浓度水电解质中在分子水平上观察到的水分子分子动力学的案例。IR-PP有能力根据水分子的氢键伴侣来区分和观察水分子，因此有可能实现这一点。CMSD负责人CHO Min Haeng教授表示：“在锂离子传输机制中，水发挥着重要作用，而不仅仅是作为高浓度电解质中的溶解盐。这项研究有望为开发其他能够在分子水平上促进锂离子传输的高浓度电解质提供设计原则

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