研究チームは、イオンの存在下での水分子の挙動を調査するために、密度官能理論（DFT）計算を採用しました。 DFTは、材料と分子の電子構造をシミュレートするための強力なツールです。チームは、リチウムイオン（Li+）の溶媒和と水分子とリチウム酸素（Li-O）表面の相互作用の2つの特定のシステムに焦点を当てました。
Li+溶媒和の場合、DFT計算により、水分子がリチウムイオンの周りに高度に秩序化された水和シェルを形成することが明らかになりました。この秩序構造は、正に帯電したリチウムイオンと水分子の負に帯電した酸素原子との間の強い静電相互作用に起因します。水和シェルは、リチウムイオンが溶液中の他のイオンまたは分子との相互作用から効果的に保護されます。これは、イオンを安定化し、電気化学反応における輸送を促進するために重要です。
さらに、研究者は、リチウムイオン電池の電極表面を表す水分子とLi-O表面との相互作用を調査しました。 DFT計算では、水分子が表面上の酸素原子と強い水素結合を形成し、電極からのリチウムイオンの移動を効果的にブロックする水ネットワークを作成することが示されました。このブロッキング効果は、電極表面のパッシベーションと時間の経過に伴うバッテリーの性能の低下に関与しています。
全体として、研究チームによって開発された理論的枠組みは、イオンを含む材料の合成と製造プロセスにおける水分子の役割を包括的に理解しています。調査結果は、電気化学反応とバッテリーシステムの合理的な設計と最適化に貢献し、より効率的で耐久性のある材料とデバイスを可能にします。
