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蓋世汽車訊 鋰離子電池中的有機電解質具有易燃性，易引發火災事故。人們一直致力於以水基電解質為更安全的替代品。然而，水分子在電池內被電解成氫和氧，會引起諸多問題，如效率低、器件壽命短和安全問題，從而阻礙這一程序。
（圖片來源：IBS）
為了抑制發生不必要的水電解，需要在水性鋰離子電池中以極高的濃度將鹽溶解。這些電解質中鹽的體積和重量都高於水，被稱為鹽包水電解質（WiSE）。這種電解質的粘度非常高，理論上會阻礙鋰離子傳輸。傳統理論預測，水-電解質體系將在這種超濃縮環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電解質中，鋰離子的傳輸速度往往出人意料地快。以前的研究透過拉曼光譜和分子動力學（MD）模擬進行觀察，發現在這些超濃電解質中，孤立的水分子被離子完全包圍，從而闡明WiSE中的水分子具有擴充套件電化學穩定視窗。但這還不足以解釋WiSE中鋰離子的快速傳輸現象。
據外媒報道，最近，韓國基礎科學研究所（IBS）的分子光譜和動力學中心（CMSD）和大邱慶北科學技術院（DGIST）的研究團隊發現，水動力學與鋰離子傳輸之間具有關聯性。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動力學（rotational dynamics），可用於確定其氫鍵夥伴。同時，作為補充工具，DRS可以測量電解質中化學物質的濃度，幫助確定溶液的整體性質。
透過這些技術，研究小組觀察到，WiSE中的大量塊狀水（bulk-like water）表現出純水的特性。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，這表明在奈米尺度上溶劑化結構的不均勻性。此外，事實證明，塊狀水的旋轉動力學比陰離子束縛水更快。透過些觀察，可以確定相對於高粘度的超濃水電解質鋰離子快速傳輸的原因。
研究人員強調，這是首例解釋從分子水平觀察超濃水電解質中水分子動力學的案例。IR-PP具有根據水分子的氫鍵夥伴區分和觀察水分子的能力，所以可能做到這一點。CMSD負責人CHO Min Haeng教授表示：“在鋰離子傳輸機制中，水發揮了重要作用，而不僅僅是超濃水電解質中的溶解鹽。本項研究有望為開發其他能在分子水平上促進鋰離子傳輸的超濃電解質提供設計原理。”
