加州大学伯克利分校Nature Materials：锂电池聚合物电解质中的纳秒溶剂化动力学

溶剂化动力学严重影响电荷传输。光谱实验和计算机模拟表明，在水系统中的动力学通常发生在皮秒时间尺度上。然而，在有机电解质的情况下，目前已经报道了从1到几百皮秒的相互矛盾的数值。

在此，加州大学伯克利分校王睿、Nitash P. Balsara等人提出一种基于准弹性中子散射（QENS）测量聚合物电解质中溶剂化动力学的新方法。结合计算机模拟考虑时，结果表明，锂离子附近的聚合物链段运动的时间尺度约为 1ns，这个时间尺度非常适合 QENS。这是基于溶剂化壳破裂超慢动力学的直接测量。

图1. QENS获得的结构因子

总之，该工作结合了 QENS 和 MD 模拟来研究配位 Li⁺ 附近聚合物链段的动力学。QENS 测量表明，在无盐系统中，随时间变化的均方位移遵循标准 Rouse 模型。然而，随着盐浓度的增加，观察到与Rouse模型的显著偏差，其特征是Rouse参数下降，然后达到稳定状态。这些是由于 Li⁺ 通常与多个链的片段配位而形成的临时交联的特征。

模拟表明，与临时交联平台相关的时间尺度几乎与溶剂化寿命相同。实验和模拟均表明，PPM/LiTFSI 中的寿命约为 1ns 量级。因此，可直接测量电解质中溶剂化壳层破裂的超慢动力学。

图2. 临时Li⁺交联存在时的溶剂化动力学

Nanosecond solvation dynamics in a polymer electrolyte for lithium batteries, Nature Materials 2024 DOI: 10.1038/s41563-024-01834-y

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