Koreanisch-japanisches Forschungsteam enthüllt Bewegungsmechanismus von Lithiumionen in festen Elektrolyten

de.wedoany.com-Bericht: Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Professor Bong June Sung vom Fachbereich Chemie der Sogang-Universität in Südkorea und Professor Shinji Saito vom Institut für Molekularwissenschaften (IMS) der Nationalen Institute für Naturwissenschaften (NINS) und der Graduiertenuniversität für fortgeschrittene Studien (SOKENDAI) in Japan hat auf molekularer Ebene den Bewegungsmechanismus von Lithiumionen in organischen ionischen Plastikkristallen (OIPCs) aufgeklärt, die als feste Elektrolyte für die nächste Generation von Batterien gelten.

In OIPCs ist das Material zwar fest, aber die darin enthaltenen Moleküle und Ionen rotieren kontinuierlich in situ. Bisher herrschte in der Wissenschaft die Ansicht vor, dass der „Wasserrad-Schaufel-Mechanismus" – bei dem diese Rotationsbewegung die Lithiumionen wie die Schaufeln eines Wasserrads vorantreibt – bei der Ionenleitung dominiert. In dieser Studie überprüften die Forscher diese Hypothese theoretisch neu, indem sie Molekulardynamiksimulationen mit Supercomputern und eine Sprungfunktionsanalyse durchführten, die einzelne Ionensprünge präzise erfassen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bewegung der Lithiumionen nicht direkt durch die Rotation der umgebenden Moleküle angetrieben wird, sondern aus der kooperativen Umlagerung der Ionenkäfige resultiert, die von den umgebenden Anionen gebildet werden. Das Team bestätigte theoretisch, dass die Bewegung der Lithiumionen signifikant verstärkt wird, wenn die Anzahl der Anionen, die ein bestimmtes Lithiumion umgeben, vorübergehend abnimmt, d. h. der Ionenkäfig „geöffnet" wird.

Derzeit verwenden Lithium-Ionen-Batterien, die in Smartphones und Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind, überwiegend flüssige Elektrolyte. Flüssige Elektrolyte sind jedoch entflammbar und bergen das Risiko von Bränden oder Explosionen. Um dieses Sicherheitsproblem zu lösen, werden hochsichere feste Elektrolyte als vielversprechende Alternative erforscht.

Unter diesen Alternativmaterialien haben organische ionische Plastikkristalle (OIPCs) als „weiche Feststoffe" Aufmerksamkeit erregt. Obwohl sie selbst fest sind, können die darin enthaltenen Moleküle und Ionen in situ aktiv rotieren. Diese molekulare Bewegung hat das Potenzial, die Ionenmigration im Feststoff zu fördern. Daher gelten OIPCs als vielversprechende Elektrolytmaterialien, die sowohl hohe Sicherheit als auch hohe Ionenleitfähigkeit vereinen könnten.

In Lithium-Ionen-Batterien hängt der Lade- und Entladevorgang von der Bewegung der Lithiumionen im Elektrolyten ab. Daher ist es bei der Entwicklung fester Elektrolyte, einschließlich OIPCs, von entscheidender Bedeutung, die Art und Geschwindigkeit der Bewegung von Lithiumionen darin zu verstehen, um die nächste Generation leistungsstarker und sicherer Batteriematerialien zu entwickeln.

Bislang wurde die Ionenleitung in OIPCs hauptsächlich durch den „Wasserrad-Schaufel-Mechanismus" erklärt. Diese Theorie besagt, dass die Rotationsbewegung der umgebenden großen Moleküle und Ionen die Lithiumionen wie die Schaufeln eines Wasserrads zur nächsten Position schiebt. Wann, wo und wie sich jedoch ein einzelnes Lithiumion tatsächlich bewegt, war zuvor nicht vollständig geklärt.