In ihrer theoretischen Arbeit gingen Dr. Diddo Diddens vom Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich und Prof. Andreas Heuer vom Helmholtz-Institut Münster und dem Institut für Physikalische Chemie der Universität Münster der zentralen Frage nach, inwieweit Ionen in flüssigen Elektrolyten vorhanden sind bewegen sich statistisch korreliert, also gemeinsam, in eine Richtung.
Mit diesem Wissen lässt sich der Einfluss einzelner Faktoren, wie zum Beispiel Ionenpaare, auf die Leitfähigkeit besser bestimmen. Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie wurden im veröffentlicht Zeitschrift für Chemische Physik und auf dem Preprint-Server arXiv.
Oft wird davon ausgegangen, dass sich zwei Ionen gleicher Ladung durch gegenseitige Abstoßung ausweichen und sich somit in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Nun konnten die Forscher zeigen, dass sich zwei benachbarte Ionen mit gleicher Ladung in die gleiche Richtung bewegen.
„Dieses kontraintuitive Verhalten lässt sich dadurch erklären, dass der Elektrolyt als Flüssigkeit im Gegensatz zu Gasen inkompressibel ist. Daher kann sich ein einzelnes Ion nur so bewegen, wie es seine molekulare Umgebung zulässt“, erklärt Diddens.
Im Gegensatz dazu beeinflussen die elektrostatischen Wechselwirkungen – Abstoßung gleich geladener Ionen, Anziehung ungleich geladener Ionen – hauptsächlich die lokale Anordnung der Ionen, weniger jedoch die statistisch korrelierte Bewegung benachbarter Ionen.
Molekulardynamiksimulationen werden in der Batterieforschung häufig eingesetzt, um festzustellen, wie stark korrelierte einzelne Ionen sich in bestimmten Elektrolyten bewegen. Allerdings sind die Bewegungen oft schwer zu interpretieren. Diddens und Heuer haben nun eine neue Theorie entwickelt, die vorhersagt, wie stark sich zwei Ionen in Abhängigkeit von ihrem Abstand statistisch korreliert (zusammen) bewegen.
Mit Hilfe der Theorie lässt sich der Einfluss einzelner Faktoren, etwa der Ionenpaarung auf die Leitfähigkeit, besser ermitteln. Die hydrodynamischen Effekte sind in Flüssigkeiten universell. Daher kommen sie in vielen Elektrolyten vor, darunter auch in bestimmten Polymeren.
Die Bestimmung der kollektiven Ionendynamik hilft zu verstehen, wie effizient ein Elektrolyt eine bestimmte Ionenart, beispielsweise Lithiumionen in Lithium-Ionen-Batterien, transportieren und so unter anderem das Schnellladeverhalten einer Batteriezelle verbessern kann. Die Erkenntnisse können für die Gestaltung neuartiger Elektrolyte genutzt werden.
Mehr Informationen:
Diddo Diddens et al, Hydrodynamische Wechselwirkungen im Ionentransport – Theorie und Simulation, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2302.10330
Diddo Diddens et al, Hydrodynamische Wechselwirkungen beim Ionentransport – Theorie und Simulation, Das Journal of Chemical Physics (2023). DOI: 10.1063/5.0147339