بحث جديد يكشف عن آلية انتقال الأيونات في بطاريات الليثيوم السائلة

(أخبار نانويرك) من عيوب بطاريات الليثيوم أيون أنها تسبب خطر الحريق نتيجة إلكتروليتاتها العضوية القابلة للاشتعال. على هذا النحو، كان هناك الكثير من الجهد لاستخدام الإلكتروليتات المائية كبديل أكثر أمانًا. ومع ذلك، فإن ما يعيقه مشكلة جزيئات الماء التي تخضع للتحليل الكهربائي تطلق ذرات الهيدروجين والأكسجين داخل البطارية، مما يسبب مشاكل مختلفة مثل ضعف الكفاءة وقصر عمر التشغيل ومسألة السلامة.

لضبط النتائج غير المرغوبة عند التحليل الكهربائي للماء، من الضروري إذابة الأملاح بتركيزات عالية للغاية في بطاريات الليثيوم السائلة ليكون حجم ووزن الملح في هذه الإلكتروليتات أعلى من تلك الموجودة في الماء، ومن ثم يشار إليها باسم إلكتروليتات الماء المالح (water-in-salt electrolytes أو اختصارا WiSE). نتيجة لذلك، تصبح لزوجة الإلكتروليت عالية جدًا، التي من الناحية النظرية يجب أن تعيق نقل أيونات الليثيوم.

ووفقًا للنظرية التقليدية، التي تتوقع بأن الماء وإلكتروليتات تنتج مزيجا متجانسا في بيئة فائقة التركيز. بمعنى آخر، يجب أن تتفاعل جميع جزيئات الماء مع الأيونات، وبذلك تتعطل الروابط الهيدروجينية تمامًا بين جزيئات الماء.

ومع ذلك، فإن تنقل أيونات الليثيوم تكون سريعة بشكل غير متوقع في مزيج إلكتروليتات الماء المالح “WiSE” عالية اللزوجة. استخدمت الدراسات السابقة تقنية العالم رامان الطيفية والديناميكيات الجزيئية التي تشرح كيفية الاستقرار الكهروكيميائية لجزيئات الماء في مزيج “WiSE” بواسطة مراقبة جزيئات الماء المعزولة المحاطة تمامًا بالأيونات داخل هذه الإلكتروليتات الماء المالح فائقة التركيز. ومع ذلك، لم يكن ذلك كافيًا لشرح التنقل السريع ﻷيونات الليثيوم داخل مزيج “WiSE”.

كشف حديثًا فريق بحثي في مركز التحليل الطيفي الجزيئي والديناميكيات (CMSD) داخل معهد العلوم الأساسية (IBS) ومعهد دايجو جيونجبوك للعلوم والتكنولوجيا (DGIST) عن العلاقة بين ديناميات المياه وتنقل أيونات الليثيوم حيث تم استخدام عملية الاستقطاب الانتقائي لمضخة الأشعة تحت الحمراء الطيفية (IR-PP) والتحليل الطيفي للاسترخاء العازل (DRS) لمراقبة جزيئات الماء في محلول ملح شديد التركيز.نشر البحث في ( ACS Energy Letters) بعنوان:

(Dynamic Water promotes Lithium-Ion Transport in Superconcentrated and Eutectic Aqueous Electrolytes)

“IR-PP” هو مطياف غير خطي يمكنه اكتشاف الديناميكيات الاهتزازية والدورانية لجزيء ماء، وهو أمر مفيد لتحديد شريكه في الترابط الهيدروجيني. وفي الوقت نفسه، تعمل “DRS” كأداة تكميلية لقياس تركيز الأنواع الكيميائية الموجودة في الإلكتروليت وتوفر أدلة على الخصائص المتجمعة للمحلول.

باستخدام هذه التقنيات، لاحظ الفريق أن كمية كبيرة من المياه الشبيهة بكميات كبيرة لمزيج “WiSE” تُظهر خصائص المياه النقية. هذا يعني أنه حتى في ظل التركيزات الفائقة للملح (28 م)، لا تزل هناك “جيوب” من جزيئات الماء الحرة تشكل روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء الأخرى، مما يشير إلى عدم التجانس في بنية الذوبان في المقاييس النانوية. بالإضافة إلى ذلك، اتضح أن ديناميكيات دوران المياه الشبيهة بالكتلة أسرع من المياه ذات الشحنة السالبة. حددت هذه الملاحظات سبب التنقل السريع لـ أيون الليثيوم بالنسبة إلى اللزوجة الكبيرة للإلكتروليتات المائية فائقة التركيز.

أكد الباحثون أن “هذه الدراسة هي الحالة الأولى لشرح ملاحظة ديناميات جزيئات الماء في الإلكتروليتات المائية فائقة التركيز على المستوى الجزيئي” و “هذا ممكن لأن “IR-PP” لديه القدرة على تمييز ومراقبة جزيئات الماء وفقًا لشريكه في الارتباط بالهيدروجين. “

قال البروفيسور جو مين هينغ ، مدير “CMSD”، “لقد لعب الماء دورًا مهمًا في تنقل أيونات الليثيوم، وليس فقط ﻹذابة الأملاح في الإلكتروليتات المائية فائقة التركيز. ومن المتوقع أن يوفر هذا البحث أساسا لتصميم الإلكتروليتات الأخرى فائقة التركيز على المستوى الجزيئي التي يمكن أن تعزز نقل أيونات الليثيوم. “

المصدر: Institute for Basic Science – تمت الترجمة من قبل الموقع بتصرف