Forskargruppen använde densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar för att undersöka beteendet hos vattenmolekyler i närvaro av joner. DFT är ett kraftfullt verktyg för att simulera den elektroniska strukturen hos material och molekyler. Teamet fokuserade på två specifika system:solvatisering av litiumjoner (Li+) och interaktionen mellan vattenmolekyler och en litium-syre (Li-O) yta.
När det gäller Li+-lösning avslöjade DFT-beräkningarna att vattenmolekyler bildar ett högordnat hydratiseringsskal runt litiumjonen. Denna ordnade struktur är resultatet av de starka elektrostatiska interaktionerna mellan den positivt laddade litiumjonen och de negativt laddade syreatomerna i vattenmolekyler. Hydratiseringsskalet skyddar effektivt litiumjonen från att interagera med andra joner eller molekyler i lösningen, vilket är avgörande för att stabilisera jonen och underlätta dess transport i elektrokemiska reaktioner.
Vidare undersökte forskarna interaktionen mellan vattenmolekyler och en Li-O-yta, som representerar elektrodytan i ett litiumjonbatteri. DFT-beräkningarna visade att vattenmolekyler bildar starka vätebindningar med syreatomerna på ytan, vilket skapar ett vattennätverk som effektivt blockerar migrationen av litiumjoner från elektroden. Denna blockerande effekt är ansvarig för passiveringen av elektrodytan och minskningen av batteriets prestanda över tiden.
Sammantaget ger det teoretiska ramverket som utvecklats av forskargruppen en omfattande förståelse av vattenmolekylernas roll i materialsyntes och tillverkningsprocesser som involverar joner. Resultaten bidrar till rationell design och optimering av elektrokemiska reaktioner och batterisystem, vilket möjliggör effektivare och mer hållbara material och enheter.
