การศึกษาเชิงทดลองและการจําลองพลวัตเชิงโมเลกุลของอิเล็กโทรไลต์ฐานน้ำสําหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออน

Abstract

งานวิจัยนี้ใช้การจำลองพลวัตเชิงโมเลกุลศึกษาผลของความเข้มข้นของสารละลาย อิเล็กโทรไลต์ ชนิดเกลือ และสารเติมแต่งที่มีต่อโครงสร้างการละลายและการถ่ายโอนของไอออน รวมทั้งค่าการนำไฟฟ้าของไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ฐานน้ำสำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออน เกลือสังกะสีที่ศึกษา ได้แก่ ซิงค์ซัลเฟต (ZnSO4) ซิงค์ไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟเนต ((Zn(CF3SO3)2 หรือ Zn(OTf)2) และซิงค์บิสไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟนิลอิไมด์ ((Zn(C2F6NO4S2)2 หรือ Zn(TFSI)2) ที่ความเข้มข้น 0.1, 0.5, 1.0 และ 2.0 M ผลการจำลองพบว่าชั้นการละลายแรกของไอออนสังกะสี Zn2+ ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารละลาย อิเล็กโทรไลต์และชนิดเกลือก ที่ความเข้มข้น 0.1 M Zn2+ มีน้ำล้อมรอบ 6 โมเลกุล หรือ [Zn(H2O)6]2+ เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น จำนวนโมเลกุลน้ำที่ล้อมรอบ Zn2+ ลดลง ในชั้นการละลายแรกของ Zn2+ ที่ความเข้มข้น 0.1, 0.5 และ 1.0 M พบว่ามีไอออนลบ SO42- หรือ OTf- ในขณะที่ไอออนลบ TFSI- ซึ่งมีโครงสร้างขนาดใหญ่ไม่เกิดการรวมตัวกันของคู่ไอออน การใส่สารเติมแต่งแมงกานีสซัลเฟต (MnSO4) ความเข้มข้น 0.1 M ใน ZnSO4 มีผลทำให้อันตรกิริยาระหว่าง Zn2+ กับ SO42- อ่อนลง นอกจากนี้เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารละลาย อิเล็กโทรไลต์ สัมประสิทธิ์การแพร่และค่าการนำไฟฟ้าของไอออนลดลง โดย Zn(OTf)2 ที่ความเข้มข้น 1.0 M ให้ค่าการนำไฟฟ้าสูงสุด แนวโน้มของค่าการนำไฟฟ้าที่ได้จากการจำลองสอดคล้องกับผลการทดลอง สำหรับข้อแนะนำในการออกแบบระบบสารละลายอิเล็กโทรไลต์คือการเลือกความเข้มข้น ชนิดเกลือ และการใช้สารเติมแต่งที่ลดโอกาสการเกิดโมเลกุลน้ำที่ว่องไวในชั้นการละลายแรกและการรวมตัวกันของคู่ไอออน