Репортаж от Wedoany，Международная исследовательская группа под руководством профессора Бон Джун Сона с химического факультета Университета Соган (Южная Корея) и профессора Синдзи Сайто из Института молекулярных наук (IMS) при Национальном институте естественных наук (NINS) и Университета перспективных исследований (SOKENDAI, Япония) на молекулярном уровне раскрыла механизм движения ионов лития в органических ионных пластических кристаллах (OIPCs), которые рассматриваются в качестве твердотельных электролитов для аккумуляторов нового поколения.
В OIPCs материал, хотя и находится в твердом состоянии, его внутренние молекулы и ионы непрерывно вращаются на месте. Ранее в научном сообществе преобладало мнение, что в ионной проводимости доминирует «механизм водяного колеса» — то есть это вращательное движение, подобно лопастям водяного колеса, продвигает ионы лития вперед. В данном исследовании ученые с помощью суперкомпьютера провели моделирование молекулярной динамики и, используя анализ функции скачков, позволяющий точно фиксировать одиночные прыжки ионов, теоретически перепроверили эту гипотезу. Результаты показали, что движение ионов лития не обусловлено напрямую вращением окружающих молекул, а возникает из-за кооперативной перестройки ионной клетки, образованной окружающими анионами. Исследовательская группа теоретически подтвердила, что когда количество анионов, окружающих конкретный ион лития, временно уменьшается, то есть ионная клетка «открывается», движение иона лития значительно усиливается.
В настоящее время в литий-ионных аккумуляторах, широко используемых в смартфонах и электромобилях, в основном применяются жидкие электролиты. Однако жидкие электролиты обладают легковоспламеняемостью, что создает риск возгорания или взрыва. Для решения этой проблемы безопасности в качестве перспективной альтернативы исследуются высокобезопасные твердотельные электролиты.
Среди этих альтернативных материалов органические ионные пластические кристаллы (OIPCs) привлекли внимание как «мягкие твердые тела». Несмотря на то, что они сами находятся в твердом состоянии, внутренние молекулы и ионы могут активно вращаться на месте, и такое молекулярное движение обладает потенциалом для стимулирования миграции ионов в твердом теле. Таким образом, OIPCs рассматриваются как материалы электролитов, которые могут сочетать высокую безопасность и высокую ионную проводимость.
В литий-ионных аккумуляторах процессы зарядки и разрядки зависят от перемещения ионов лития внутри электролита. Поэтому при разработке твердотельных электролитов, включая OIPCs, понимание того, как и с какой скоростью движутся ионы лития, имеет решающее значение для создания материалов для аккумуляторов нового поколения с высокой производительностью и безопасностью.
До сих пор основным объяснением ионной проводимости в OIPCs был «механизм водяного колеса». Эта теория предполагает, что вращательное движение окружающих крупных молекул и ионов, подобно лопастям водяного колеса, толкает ионы лития к следующему положению. Однако время, место и конкретный способ фактического перемещения отдельных ионов лития до этого не были полностью выяснены.
