ผลของตัวทำละลายต่อการขนส่งไอออนและสภาพแวดล้อมการละลายสำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออน

Abstract

งานวิจัยนี้ใช้การจำลองพลวัตเชิงโมเลกุลศึกษาผลของตัวทำละลายอินทรีย์เดี่ยว ตัวทำละลายอินทรีย์ผสม และโครงสร้างส่วนต่อประสานระหว่างของแข็งกับสารละลาย อิเล็กโทรไลต์ (solid electrolyte interphase, SEI) ที่มีต่อสมบัติการขนส่งและสภาพแวดล้อมการละลายของไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์สำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออน สารละลาย อิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยเกลือซิงค์ไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟเนตหรือซิงค์ไตรเฟลต (Zn(OTf)2) ความเข้มข้น 1 M ในตัวทำละลายเอทิลีนคาร์บอเนต (EC) โพรพิลีนคาร์บอเนต (PC) ไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (DMF) และไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) ชนิดตัวทำละลายมีผลต่อการนำพาไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์อย่างมาก ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของ Zn2+ และ OTf– ใน DMC สูงกว่าระบบที่ใช้ DMF, PC และ EC เป็นตัวทำละลาย ตามลำดับ โดย Zn(OTf)2 ใน DMC ให้ค่าการนำไฟฟ้าของไอออนสูงสุด 7.14 mS/cm ชั้นการละลายแรกของ Zn2+ ในตัวทำละลายทั้ง 4 ชนิดมีลักษณะคล้ายกัน โดย Zn2+ ถูกล้อมรอบด้วยตัวทำละลาย 3-4 โมเลกุล และดึงดูดกับ OTf– 1 โมเลกุล ในระบบตัวทำละลายผสม EC:DMC = 1:2 ค่าการนำไฟฟ้าของไอออนเพิ่มขึ้น ~5.3 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับระบบตัวทำละลายเดี่ยว EC เนื่องจาก DMC ช่วยลดความหนืดของสารละลายอิเล็กโทรไลต์และอันตรกิริยาระหว่างคู่ไอออน โครงสร้าง SEI มีผลต่อการนำพา Zn2+ ไปยังขั้วอิเล็กโทรด ในโครงสร้าง SEI ชนิดซิงค์ออกไซด์ (ZnO) Zn2+ เกิดอันตรกิริยาที่แข็งแรงกับอะตอมออกซิเจนของ ZnO ทำให้การสะสม Zn2+ ณ บริเวณรอยต่อระหว่างขั้วอิเล็กโทรดกับ SEI มีปริมาณน้อยกว่าโครงสร้างชนิดซิงค์เมทอกไซด์ (Zn(OCH3)2) ซิงค์คาร์บอเนต (ZnCO3) และ ซิงค์ฟลูออไรด์ (ZnF2)