Theorie zum Verständnis der Korrelation von Ionen entwickelt
Neue hydrodynamische Theorie kann genutzt werden, um die statistisch korrelierte Bewegung von zwei Ionen in Abhängigkeit von ihrem Abstand vorherzusagen.
03. Juli 2023 – In ihrer theoretischen Arbeit gingen Dr. Diddo Diddens vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich und Prof. Dr. Andreas Heuer vom Helmholtz-Institut Münster und dem Institut für physikalische Chemie der Universität Münster der zentralen Frage nach, inwieweit sich Ionen in flüssigen Elektrolyten statistisch korreliert, also zusammen, in eine Richtung bewegen. Mit diesem Wissen kann der Einfluss einzelner Faktoren, wie zum Beispiel von Ionenpaaren auf die Leitfähigkeit, besser ermittelt werden.
Benachbarte Ionen bewegen sich in dieselbe Richtung
Oft wird angenommen, dass sich zwei gleich geladene Ionen aufgrund der gegenseitigen Abstoßung aus dem Weg gehen und sich somit in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Nun konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sich auch zwei benachbarte Ionen mit gleicher Ladung im Mittel in dieselbe 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.
Die elektrostatischen Wechselwirkungen – Abstoßung von gleich geladenen Ionen, Anziehung von ungleich geladenen Ionen – beeinflussen dagegen in erster Linie die lokale Anordnung der Ionen, weniger jedoch die statistisch korrelierte Bewegung von benachbarten Ionen.
Hydrodynamische Theorie für Prognosen von Ionenbewegungen
Molekulardynamik-Simulationen kommen in der Batterieforschung häufig zum Einsatz, um zu ermitteln, wie stark korreliert sich einzelne Ionen in bestimmten Elektrolyten bewegen. Jedoch sind die Bewegungen oft schwer zu interpretieren. Diddens und Heuer haben nun eine neue Theorie entwickelt, die vorhersagt, wie sehr sich zwei Ionen abhängig von ihrem Abstand statistisch korreliert (zusammen) bewegen.
Mithilfe der Theorie kann der Einfluss einzelner Faktoren, beispielsweise von Ionenpaaren auf die Leitfähigkeit, besser ermittelt werden. Die hydrodynamischen Effekte sind in Flüssigkeiten universell. Somit treten sie in vielen Elektrolyten auf, auch in bestimmten Polymeren.
Effizienterer Ionentransport für neuartige Elektrolyte
Die Ermittlung der kollektiven Ionendynamik hilft dabei zu verstehen, wie effizient ein Elektrolyt eine bestimmte Ionensorte, zum Beispiel Lithium-Ionen in Lithium-Ionen-Batterien, transportieren und damit unter anderem das Schnellladeverhalten einer Batteriezelle verbessern kann. Das Wissen kann für das Design neuartiger Elektrolyte genutzt werden.
Studie in Journal of Chemical Physics veröffentlicht
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher Dr. Diddo Diddens vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich und Prof. Dr. Andreas Heuer vom Helmholtz-Institut Münster und dem Institut für physikalische Chemie der Universität Münster im Fachmagazin Journal of Chemical Physics veröffentlicht. Er steht hier kostenlos zum Download verfügbar.