فريق بحثي كوري ياباني يكشف آلية حركة أيونات الليثيوم في الإلكتروليتات الصلبة

أخبار ar.wedoany.com، كشف فريق بحثي دولي بقيادة البروفيسور بونغ جون سونغ من قسم الكيمياء بجامعة سوغانغ الكورية، والبروفيسور شينجي سايتو من المعهد الوطني للعلوم الطبيعية (NINS) التابع لمعهد العلوم الجزيئية (IMS) وجامعة الدراسات المتقدمة (SOKENDAI) اليابانية، عن الآلية الجزيئية لحركة أيونات الليثيوم في البلورات البلاستيكية الأيونية العضوية (OIPCs)، وهي مواد تُعتبر إلكتروليتات صلبة واعدة للجيل القادم من البطاريات.

في البلورات البلاستيكية الأيونية العضوية، تكون المادة في حالة صلبة، لكن جزيئاتها وأيوناتها الداخلية تستمر في الدوران في مكانها. في السابق، كان الرأي السائد في الأوساط الأكاديمية هو أن "آلية شفرات الدولاب المائي" - أي أن هذه الحركة الدورانية تدفع أيونات الليثيوم إلى الأمام مثل شفرات الدولاب المائي - هي المسيطرة على التوصيل الأيوني. في هذه الدراسة، استخدم الباحثون أجهزة الكمبيوتر العملاقة لإجراء محاكاة الديناميكا الجزيئية، ودمجوها مع تحليل دالة القفز القادر على التقاط القفزات الأيونية الفردية بدقة، لإعادة التحقق من هذه الفرضية من الناحية النظرية. أظهرت النتائج أن حركة أيونات الليثيوم لا تُدفع بشكل مباشر بواسطة دوران الجزيئات المحيطة، بل تنشأ من إعادة ترتيب تآزرية للأقفاص الأيونية التي تشكلها الأنيونات المحيطة. وأكد الفريق البحثي نظريًا أنه عندما ينخفض عدد الأنيونات المحيطة بأيون الليثيوم مؤقتًا، أي عندما "ينفتح" القفص الأيوني، تزداد حركة أيون الليثيوم بشكل ملحوظ.

حاليًا، تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم المستخدمة على نطاق واسع في الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية إلكتروليتات سائلة في الغالب. ومع ذلك، فإن الإلكتروليتات السائلة قابلة للاشتعال، مما يشكل خطرًا في التسبب في حرائق أو انفجارات. لمعالجة مشكلة السلامة هذه، يتم دراسة الإلكتروليتات الصلبة عالية الأمان كبديل واعد.

من بين هذه المواد البديلة، جذبت البلورات البلاستيكية الأيونية العضوية (OIPCs) الانتباه باعتبارها "مواد صلبة ناعمة". على الرغم من كونها صلبة بذاتها، إلا أن جزيئاتها وأيوناتها الداخلية قادرة على الدوران بنشاط في مكانها، وهذه الحركة الجزيئية لديها القدرة على تعزيز هجرة الأيونات داخل المادة الصلبة. لذلك، تُعتبر البلورات البلاستيكية الأيونية العضوية مواد إلكتروليتية واعدة تجمع بين السلامة العالية والتوصيل الأيوني العالي.

في بطاريات أيونات الليثيوم، تعتمد عملية الشحن والتفريغ على حركة أيونات الليثيوم داخل الإلكتروليت. وبالتالي، عند تطوير الإلكتروليتات الصلبة بما في ذلك البلورات البلاستيكية الأيونية العضوية، فإن فهم كيفية وسرعة حركة أيونات الليثيوم فيها أمر بالغ الأهمية لتطوير مواد بطاريات الجيل التالي عالية الأداء والآمنة.

حتى الآن، كان التفسير الرئيسي للتوصيل الأيوني في البلورات البلاستيكية الأيونية العضوية هو "آلية شفرات الدولاب المائي". تنص هذه النظرية على أن الحركة الدورانية للجزيئات والأيونات الكبيرة المحيطة تدفع أيون الليثيوم إلى الموضع التالي مثل شفرات الدولاب المائي. ومع ذلك، فإن الوقت والمكان والطريقة المحددة لحركة أيون الليثيوم الفردي لم تكن واضحة تمامًا من قبل.