蓋世汽車訊 鋰離子電池中的有機(jī)電解質(zhì)具有易燃性，易引發(fā)火災(zāi)事故。人們一直致力于以水基電解質(zhì)為更安全的替代品。然而，水分子在電池內(nèi)被電解成氫和氧，會引起諸多問題，如效率低、器件壽命短和安全問題，從而阻礙這一進(jìn)程。

（圖片來源：IBS）

為了抑制發(fā)生不必要的水電解，需要在水性鋰離子電池中以極高的濃度將鹽溶解。這些電解質(zhì)中鹽的體積和重量都高于水，被稱為鹽包水電解質(zhì)（WiSE）。這種電解質(zhì)的粘度非常高，理論上會阻礙鋰離子傳輸。傳統(tǒng)理論預(yù)測，水-電解質(zhì)體系將在這種超濃縮環(huán)境中以均勻混合物的形式存在。換句話說，所有的水分子都應(yīng)該與離子相互作用，從而完全破壞水分子之間的氫鍵。

然而，在這些高粘度WiSE電解質(zhì)中，鋰離子的傳輸速度往往出人意料地快。以前的研究通過拉曼光譜和分子動力學(xué)（MD）模擬進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在這些超濃電解質(zhì)中，孤立的水分子被離子完全包圍，從而闡明WiSE中的水分子具有擴(kuò)展電化學(xué)穩(wěn)定窗口。但這還不足以解釋W(xué)iSE中鋰離子的快速傳輸現(xiàn)象。

據(jù)外媒報道，最近，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）的分子光譜和動力學(xué)中心（CMSD）和大邱慶北科學(xué)技術(shù)院（DGIST）的研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，水動力學(xué)與鋰離子傳輸之間具有關(guān)聯(lián)性。研究人員使用偏振選擇性紅外泵探光譜（IR-PP）和介電弛豫光譜（DRS），觀察超濃鹽溶液中的水分子。

IR-PP是一種時間分辨非線性光譜，能夠檢測單個水分子的振動和旋轉(zhuǎn)動力學(xué)（rotational dynamics），可用于確定其氫鍵伙伴。同時，作為補(bǔ)充工具，DRS可以測量電解質(zhì)中化學(xué)物質(zhì)的濃度，幫助確定溶液的整體性質(zhì)。

通過這些技術(shù)，研究小組觀察到，WiSE中的大量塊狀水（bulk-like water）表現(xiàn)出純水的特性。這意味著即使在超高鹽濃度（28 m）下，仍有大量水分子的“口袋”與其他水分子形成氫鍵，這表明在納米尺度上溶劑化結(jié)構(gòu)的不均勻性。此外，事實證明，塊狀水的旋轉(zhuǎn)動力學(xué)比陰離子束縛水更快。通過些觀察，可以確定相對于高粘度的超濃水電解質(zhì)鋰離子快速傳輸?shù)脑颉?/p>

研究人員強(qiáng)調(diào)，這是首例解釋從分子水平觀察超濃水電解質(zhì)中水分子動力學(xué)的案例。IR-PP具有根據(jù)水分子的氫鍵伙伴區(qū)分和觀察水分子的能力，所以可能做到這一點。CMSD負(fù)責(zé)人CHO Min Haeng教授表示：“在鋰離子傳輸機(jī)制中，水發(fā)揮了重要作用，而不僅僅是超濃水電解質(zhì)中的溶解鹽。本項研究有望為開發(fā)其他能在分子水平上促進(jìn)鋰離子傳輸?shù)某瑵怆娊赓|(zhì)提供設(shè)計原理?！?/p>

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