鋰離子電池因其易燃的有機電解質而成為火災隱患。因此，已經有很多努力利用水基電解質作為一個更安全的替代品。但是，由于水分子會在電池內電解成氫和氧，導致效率低下、設備壽命短、安全問題等問題，阻礙了這一目標的實現(xiàn)。

為了抑制不需要的電解水，它是必要的溶解鹽在水溶液中的高度濃度的鋰離子電池。這些電解質中鹽的體積和重量都高于水，因此它們被稱為鹽中的水電解質(WiSE)。因此，電解質的粘度非常高，理論上應該會阻礙鋰離子的輸運。根據(jù)傳統(tǒng)理論，這在很大程度上是意料之中的。傳統(tǒng)理論預測，在這種超濃縮環(huán)境中，水-電解質系統(tǒng)將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，因此水分子之間的氫鍵被完全破壞。

然而，鋰離子輸運在這些高度粘滯的智慧中往往出人意料地快。以前的研究使用拉曼光譜和分子動力學(MD)模擬，通過觀察這些超濃縮水電解質內部完全被離子包圍的孤立水分子，來闡明WiSE中水分子的擴展電化學穩(wěn)定窗口。然而，這還不足以解釋WiSE內部鋰離子的快速傳輸。

最近，基礎科學研究所(IBS)和大邱慶北科學技術院(DGIST)分子光譜學與動力學研究中心(CMSD)的研究小組發(fā)現(xiàn)了水動力學和鋰離子運移之間的相關性。他們使用偏振選擇性紅外泵探光譜(IR-PP)和介電弛豫光譜(DRS)來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，可以檢測單個水分子的振動和旋轉動力學，這對確定其氫鍵伙伴是有用的。同時，DRS作為一種補充工具，可以測量電解質中化學物質的濃度，并為溶液的集體屬性提供線索。

通過這些技術，研究小組觀察到WiSE中大量的體積狀水顯示出純水的特性。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構的不均勻性。此外，事實證明，體積狀水的旋轉動力學比陰離子束縛水的旋轉動力學快。這些觀察確定了鋰離子快速運輸?shù)脑蛳鄬τ诖笳扯鹊某瑵馑娊赓|。

研究人員強調,這項研究是第一個例解釋觀察超濃縮水電解質的水分子動力學在分子水平上,”和“這是可能的,因為IR-PP有能力區(qū)分并觀察水分子氫鍵的伙伴。

CMSD主任CHOMinHaeng教授說:“水在鋰離子運輸機制中發(fā)揮了重要作用，而不僅僅是超濃縮水電解質中的溶解鹽。本研究有望為其他在分子水平上促進鋰離子輸運的超濃電解質提供設計原則?！?/p>

這項研究發(fā)表在11月25日的ACS能源快報在線版上。