新研究揭示水系锂离子电池离子传输机制

锂离子电池因其易燃的有机电解质而因具有火灾隐患而臭名昭著。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，这会导致效率低下、设备寿命短和安全问题等各种问题。

到的抑制不必要的电解水，必须以非常高的浓度在水溶液中的锂离子电池以溶解盐。这些电解质中盐的体积和重量都高于水，因此它们被称为盐包水电解质 (WiSE)。因此，电解质的粘度非常高，理论上应该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，锂离子传输往往出乎意料地快。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。

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 (28 m) 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具有区分和观察水分子的能力。给他们的氢键伙伴。”

CMSD 主任 CHO Min Haeng 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。这项研究有望为其他超浓缩电解质提供设计原理。可以促进锂离子传输的分子水平。”

这项研究于 11 月 25 日发表在ACS Energy Letters的网络版上。

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