2024年2月27日，美国加州大学伯克利分校化学与生物分子工程系/劳伦斯伯克利国家实验室材料科学分部王睿教授与Nitash Balsara教授团队合作在Nature Materials期刊上发表了一篇题为“Nanosecond Solvation Dynamics in a Polymer Electrolyte for Lithium Batteries”的研究成果。
该成果结合了准弹性中子散射（QENs）和分子动力学（MD）模拟，报导了一种聚合物电解质中溶剂化壳层断裂的超慢动力学的直接测量，提出了一种利用溶剂化寿命对电解体系进行快速筛选的新方法。论文的共同第一作者是Neel Sarah博士和方超博士；通讯作者是王睿教授和Nitash Balsara教授。
溶剂化动力学对电解质中的离子输运和反应速率有着至关重要的影响。虽然已经确定水系电解质的溶剂化寿命为1-10皮秒，但有机电解质体系中，关于溶剂化寿命的争论仍在持续，从1到几百皮秒都有报道。近来，锂离子在有机电解质中的溶剂化受到广泛关注，因为溶剂化寿命直接决定了锂电池的充放电速率。
这项工作结合了准弹性中子散射（QENS）和分子动力学（MD）模拟来研究有机聚合物电解质中配位锂离子（Li+）附近链段的运动。QENS表征显示，在不加盐的体系中，聚合物链段运动遵循标准的Rouse模型。然而，随着加入盐浓度的增加，观察到与Rouse模型出现显著偏差，其特征是Rouse参数下降，随后出现平台期。MD模拟显示，与临时交联平台相关的时间尺度和溶剂化寿命几乎相同。这是因为锂离子通常与来自多条链的链段配位而形成临时交联点。实验和模拟均表明，在PPM/LiTFSI体系中，这种寿命在1纳秒（ns）量级，从而为有机电解质中溶剂化壳层断裂的超慢动力学提供了直接表征和证明。
图1：PPM聚合物和锂离子溶剂化结构。
图2：准弹性中子散射测量得到的结构因子。
图3：由准弹性中子散射和分子动力学模拟确定的链段动力学。
图4：在锂离子作为临时交联点存在下的溶剂化动力学。
（来源：科学网）
