鋰離子電池因其易燃的有機(jī)電解質(zhì)而因具有火災(zāi)隱患而存在缺陷。因此，人們一直在努力利用水基電解質(zhì)作為更安全的替代品。然而，這受到電池內(nèi)水分子電解成氫和氧的問題的阻礙，導(dǎo)致其效率低下、設(shè)備壽命短和安全問題等各種問題。

為了抑制不必要的水電解，有必要在水性鋰離子電池中溶解極高濃度的鹽。這些電解質(zhì)中鹽的體積和重量都高于水，它們被稱為鹽包水電解質(zhì)(WiSE)。這里電解質(zhì)的粘度非常高，理論上會(huì)阻礙鋰離子的傳輸。

根據(jù)傳統(tǒng)理論，這幾乎是預(yù)料之中的，該理論預(yù)測(cè)水電解質(zhì)系統(tǒng)在這種超濃縮環(huán)境中作為均勻混合物存在。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，在這些高粘性WiSE中，鋰離子傳輸出乎意料地快。先前的研究使用拉曼光譜和分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬，通過觀察這些超濃縮水性電解質(zhì)中完全被離子包圍的孤立水分子，闡明了WiSE中水分子的擴(kuò)展電化學(xué)穩(wěn)定性窗口。盡管如此，這還不足以解釋W(xué)iSE內(nèi)的快速鋰離子傳輸。

最近，基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)和大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究所(DGIST)的分子光譜與動(dòng)力學(xué)中心(CMSD)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了水動(dòng)力學(xué)與鋰離子傳輸之間的相關(guān)性。他們使用偏振選擇性紅外泵浦探測(cè)光譜(IR-PP)和介電弛豫光譜(DRS)來觀察超濃縮鹽溶液中的水分子（ACS能量快報(bào)，“動(dòng)態(tài)水促進(jìn)超濃縮和共晶水溶液中的鋰離子傳輸電解質(zhì)”）。

與其他水分子形成氫鍵的水分子具有快速旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)。水分子的快速旋轉(zhuǎn)特性促進(jìn)了鋰離子通過車輛遷移的傳輸。（圖片：基礎(chǔ)科學(xué)研究所）

IR-PP是時(shí)間分辨非線性光譜，可以檢測(cè)單個(gè)水分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)，這有助于確定其氫鍵伙伴。同時(shí)，DRS作為一種補(bǔ)充工具來測(cè)量電解質(zhì)中存在的化學(xué)物質(zhì)的濃度，并為溶液的集體特性提供線索。

使用這些技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)觀察到WiSE中大量的塊狀水表現(xiàn)出純水的特性。這意味著即使在超高鹽濃度（28m）下，仍有大量水分子“口袋”與其他水分子形成氫鍵，這表明納米級(jí)溶劑化結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性。此外，事實(shí)證明，塊狀水的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)比陰離子結(jié)合水更快。這些觀察結(jié)果確定了與超濃縮水性電解質(zhì)的大粘度相關(guān)的快速鋰離子傳輸?shù)脑颉?/p>

研究人員強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究是第一個(gè)從分子水平解釋超濃縮水性電解質(zhì)中水分子動(dòng)力學(xué)觀察的案例。這是有可能的，因?yàn)镮R-PP有能力區(qū)分和觀察水分子，然后給他們的氫鍵伙伴。

CMSD主任CHOMinHaeng教授說，水在鋰離子傳輸機(jī)制中發(fā)揮著重要作用，而不僅僅是超濃縮水性電解質(zhì)中的溶解鹽。這項(xiàng)研究有望在分子水平上為其他超濃縮電解質(zhì)提供設(shè)計(jì)原理，以促進(jìn)鋰離子的傳輸。