Water speelt een cruciale rol in verschillende materiaalsynthese- en productieprocessen, waaronder elektrochemische reacties en batterijwerking. Het gedetailleerde mechanisme van hoe watermoleculen interageren met ionen en hun scheiding beïnvloeden, is echter nog steeds niet volledig begrepen. Een nieuw theoretisch raamwerk, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Warwick, biedt een uitgebreid inzicht in de rol van water in deze processen.

Het onderzoeksteam gebruikte berekeningen uit de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om het gedrag van watermoleculen in de aanwezigheid van ionen te onderzoeken. DFT is een krachtig hulpmiddel voor het simuleren van de elektronische structuur van materialen en moleculen. Het team concentreerde zich op twee specifieke systemen:de solvatatie van lithiumionen (Li+) en de interactie van watermoleculen met een lithium-zuurstof (Li-O) oppervlak.

In het geval van Li+-solvatatie onthulden de DFT-berekeningen dat watermoleculen een zeer geordende hydratatieschil rond het lithiumion vormen. Deze geordende structuur is het resultaat van de sterke elektrostatische interacties tussen het positief geladen lithiumion en de negatief geladen zuurstofatomen van watermoleculen. De hydratatieschil beschermt het lithiumion effectief tegen interactie met andere ionen of moleculen in de oplossing, wat cruciaal is voor het stabiliseren van het ion en het vergemakkelijken van het transport ervan in elektrochemische reacties.

Verder onderzochten de onderzoekers de interactie van watermoleculen met een Li-O-oppervlak, dat het elektrode-oppervlak in een lithium-ionbatterij vertegenwoordigt. Uit de DFT-berekeningen bleek dat watermoleculen sterke waterstofbruggen vormen met de zuurstofatomen op het oppervlak, waardoor een waternetwerk ontstaat dat de migratie van lithiumionen van de elektrode effectief blokkeert. Dit blokkerende effect is verantwoordelijk voor de passivatie van het elektrodeoppervlak en de vermindering van de batterijprestaties in de loop van de tijd.

Over het geheel genomen biedt het door het onderzoeksteam ontwikkelde theoretische raamwerk een uitgebreid inzicht in de rol van watermoleculen in materiaalsynthese en productieprocessen waarbij ionen betrokken zijn. De bevindingen dragen bij aan het rationeel ontwerp en de optimalisatie van elektrochemische reacties en batterijsystemen, waardoor efficiëntere en duurzamere materialen en apparaten mogelijk worden.