钜大LARGE | 点击量：987次 | 2021年12月22日
为解决水性锂电池效率低下问题，科学家研究动态水中锂离子的快速传输
锂离子电池因其易燃的有机电解质而因具有火灾隐患而存在缺陷。因此，人们一直在努力利用水基电解质作为更安全的替代品。然而，这受到电池内水分子电解成氢和氧的问题的阻碍，导致其效率低下、设备寿命短和安全问题等各种问题。
为了抑制不必要的水电解，有必要在水性锂离子电池中溶解极高浓度的盐。这些电解质中盐的体积和重量都高于水，它们被称为盐包水电解质(WiSE)。这里电解质的粘度非常高，理论上会阻碍锂离子的传输。
根据传统理论，这几乎是预料之中的，该理论预测水电解质系统在这种超浓缩环境中作为均匀混合物存在。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，在这些高粘性WiSE中，锂离子传输出乎意料地快。先前的研究使用拉曼光谱和分子动力学(MD)模拟，通过观察这些超浓缩水性电解质中完全被离子包围的孤立水分子，阐明了WiSE中水分子的扩展电化学稳定性窗口。尽管如此，这还不足以解释WiSE内的快速锂离子传输。
最近，基础科学研究所(IBS)和大邱庆北科学技术研究所(DGIST)的分子光谱与动力学中心(CMSD)的一个研究小组发现了水动力学与锂离子传输之间的相关性。他们使用偏振选择性红外泵浦探测光谱(IR-PP)和介电弛豫光谱(DRS)来观察超浓缩盐溶液中的水分子（ACS能量快报，“动态水促进超浓缩和共晶水溶液中的锂离子传输电解质”）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
与其他水分子形成氢键的水分子具有快速旋转动力学。水分子的快速旋转特性促进了锂离子通过车辆迁移的传输。（图片：基础科学研究所）
IR-PP是时间分辨非线性光谱，可以检测单个水分子的振动和旋转动力学，这有助于确定其氢键伙伴。同时，DRS作为一种补充工具来测量电解质中存在的化学物质的浓度，并为溶液的集体特性提供线索。
使用这些技术，该团队观察到WiSE中大量的块状水表现出纯水的特性。这意味着即使在超高盐浓度（28m）下，仍有大量水分子“口袋”与其他水分子形成氢键，这表明纳米级溶剂化结构的异质性。此外，事实证明，块状水的旋转动力学比阴离子结合水更快。这些观察结果确定了与超浓缩水性电解质的大粘度相关的快速锂离子传输的原因。
研究人员强调，这项研究是第一个从分子水平解释超浓缩水性电解质中水分子动力学观察的案例。这是有可能的，因为IR-PP有能力区分和观察水分子，然后给他们的氢键伙伴。
CMSD主任CHOMinHaeng教授说，水在锂离子传输机制中发挥着重要作用，而不仅仅是超浓缩水性电解质中的溶解盐。这项研究有望在分子水平上为其他超浓缩电解质提供设计原理，以促进锂离子的传输。
