Abstract:
แบตเตอรี่สังกะสีไอออน (zinc-ion batteries, ZIBs) ประกอบด้วยสารละลายอิเล็กโทรไลต์ (electrolytes) ซึ่งนำพาไอออนระหว่างแคโทดกับแอโนด ความเข้าใจพื้นฐานและข้อมูลเชิงลึกในระดับโมเลกุลเกี่ยวกับพฤติกรรมและกลไกการเคลื่อนที่ของไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์มีความสำคัญต่อการเลือกและออกแบบองค์ประกอบของสารละลายอิเล็กโทรไลต์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่สังกะสีไอออน โครงการวิจัยนี้ใช้การจำลองพลวัตเชิงโมเลกุล (molecular dynamics simulations, MD) ศึกษาสมบัติการเคลื่อนที่และโครงสร้างการละลายของไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ฐานน้ำ เกลือของสังกะสีที่ศึกษา ได้แก่ ซิงค์ไตรฟลิไมด์ (zinc triflimide หรือ zinc di[bis(trifluoromethylsulfonyl)imide], Zn(TFSI)₂) และซิงค์ไตรเฟลต (zinc triflate หรือ zinc trifuoromethanesulfonate, Zn(OTf)₂) การจำลองอยู่ภายใต้อุณหภูมิห้อง ผลการจำลองพบว่าสมบัติการเคลื่อนที่และโครงสร้างการละลายของไอออนสังกะสี Zn²⁺ ขึ้นกับความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโทรไลต์และชนิดไอออนลบ การนำไฟฟ้าของไอออน (ionic conductivity) ในระบบ Zn(TFSI)₂ มีค่าสูงสุดที่ความเข้มข้น 1 M เมื่อความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้น สัมประสิทธิ์การแพร่ (diffusivity) ของไอออนสังกะสี Zn²⁺ และไอออนลบ TFSI ลดลง ส่งผลให้การนำไฟฟ้าของไอออนลดลง โครงสร้างการละลายของไอออนสังกะสี Zn²⁺ ที่ความเข้มข้น 2 M ต่างจากระบบที่ความเข้มข้นต่ำกว่า โดยไอออนสังกะสี Zn²⁺ ถูกล้อมรอบด้วยน้ำ 5 โมเลกุล และเกิดอันตรกิริยากับไอออนลบ TFSI ส่งผลให้เกิดโครงสร้างแบบคู่ไอออนที่ติดกัน การนำไฟฟ้าของไอออนในระบบ Zn(OTf)₂ ที่ความเข้มข้น 1M มีค่ามากกว่าระบบ Zn(OTf)₂ ที่ความเข้มข้นเดียวกัน โมเลกุลของไอออนลบ TFSI ที่มีขนาดใหญ่และเกะกะทำให้ไอออนสังกะสี Zn²⁺ เข้าใกล้ไอออนลบ TFSI ได้ยาก ส่งผลให้อันตรกิริยาระหว่างไอออน Zn²⁺-TFSI มีความแรงน้อยกว่า Zn²⁺-OTf
