01.12.2021 - Institute for Basic Science

Una nueva investigación revela el mecanismo de transporte de iones en las baterías acuosas de iones de litio

La comprensión microscópica de la estructura de solvatación revela la heterogeneidad en los electrolitos superconcentrados de agua en sal

Las baterías de iones de litio tienen fama de ser un peligro de incendio debido a sus electrolitos orgánicos inflamables. Por ello, se ha intentado utilizar electrolitos a base de agua como alternativa más segura. Sin embargo, esto se ve obstaculizado por el problema de que las moléculas de agua sufren una electrólisis en hidrógeno y oxígeno dentro de la batería, lo que provoca diversos problemas como una baja eficiencia, una corta duración del dispositivo y problemas de seguridad.

Para suprimir la electrólisis indeseada del agua, es necesario disolver las sales en concentraciones extremadamente altas en las baterías acuosas de iones de litio. Tanto el volumen como el peso de la sal en estos electrolitos son superiores a los del agua, por lo que se denominan electrolitos de agua en sal (WiSE). Como resultado, la viscosidad del electrolito es muy alta, lo que en teoría debería dificultar el transporte de los iones de litio. Esto es bastante esperado según la teoría convencional, que predice que el sistema agua-electrolito existe como una mezcla homogénea en este entorno superconcentrado. En otras palabras, todas las moléculas de agua deberían interactuar con los iones y, por tanto, los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua se interrumpen por completo.

Sin embargo, el transporte de iones de litio tiende a ser inesperadamente rápido en estos WiSEs altamente viscosos. Estudios anteriores utilizaron espectroscopia Raman y simulaciones de dinámica molecular (MD) para dilucidar la amplia ventana de estabilidad electroquímica de las moléculas de agua en los WiSE, observando las moléculas de agua aisladas que están completamente rodeadas de iones dentro de estos electrolitos acuosos superconcentrados. Sin embargo, esto no era suficiente para explicar el rápido transporte de iones de litio dentro de los WiSE.

Recientemente, un equipo de investigación del Centro de Espectroscopia y Dinámica Molecular (CMSD) del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) y del Instituto de Ciencia y Tecnología Daegu Gyeongbuk (DGIST) ha descubierto la correlación entre la dinámica del agua y el transporte de iones de litio. Utilizaron la espectroscopia de sonda infrarroja de polarización selectiva (IR-PP) y la espectroscopia de relajación dieléctrica (DRS) para observar las moléculas de agua en una solución salina superconcentrada.

La IR-PP es una espectroscopia no lineal resuelta en el tiempo que puede detectar la dinámica vibracional y rotacional de una molécula de agua individual, lo que resulta útil para determinar su pareja de enlaces de hidrógeno. Por su parte, la DRS sirve como herramienta complementaria para medir la concentración de especies químicas presentes en el electrolito y proporcionar pistas sobre las propiedades colectivas de la solución.

Mediante estas técnicas, el equipo observó que una cantidad significativa de agua en masa en WiSE presenta las propiedades del agua pura. Esto significa que, incluso bajo concentraciones de sal súper elevadas (28 m), sigue habiendo "bolsas" de moléculas de agua a granel que forman enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua, lo que indica heterogeneidad en la estructura de solvatación en nanoescala. Además, resultó que la dinámica rotacional del agua a granel es más rápida que la del agua unida a aniones. Estas observaciones identificaron la causa del rápido transporte de iones de litio en relación con la gran viscosidad de los electrolitos acuosos superconcentrados.

Los investigadores destacaron: "Este estudio es el primer caso en el que se explica la observación de la dinámica de las moléculas de agua en electrolitos acuosos superconcentrados a nivel molecular", y "es posible porque la IR-PP tiene la capacidad de distinguir y observar las moléculas de agua según su pareja de enlaces de hidrógeno".

El profesor CHO Min Haeng, director del CMSD, declaró: "El agua desempeña un papel importante en los mecanismos de transporte de iones de litio, y no sólo las sales disueltas en los electrolitos acuosos superconcentrados. Se espera que esta investigación proporcione un principio de diseño para otros electrolitos superconcentrados a nivel molecular que puedan promover el transporte de iones de litio."

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