Des chercheurs du NIMBE ont combiné la RMN multinucléaire et des simulations pour décoder le transport des ions lithium dans des électrolytes à solvants eutectiques profonds, ouvrant la voie à des batteries plus sûres et à plus haute tension.
Les électrolytes aqueux à base de solvants eutectiques profonds offrent une voie prometteuse vers des batteries plus sûres et à plus haute tension, mais comprendre comment les ions lithium se déplacent à travers ces environnements denses et pauvres en eau reste un défi. Dans notre récente étude, publiée dans The Journal of Physical Chemistry B [1], nous avons combiné des mesures de diffusion par RMN multinucléaire avec des simulations de dynamique moléculaire pour cartographier la solvatation et le transport du lithium dans un électrolyte LiClO4–urée–eau.
L’étude tire parti du champ de fuite statique qui entoure tout aimant RMN commercial, un gradient de champ librement disponible mais habituellement non utilisé. L’intensité élevée de ce gradient de champ a permis de mesurer simultanément la diffusion de chaque espèce présente dans l’électrolyte (lithium, eau, urée et anion perchlorate) et d’atteindre des noyaux habituellement mis de côté en raison de leur signal faible et de leur relaxation rapide : l’oxygène 17 et le chlore 35.
La combinaison de ces mesures avec la dynamique moléculaire ab initio montre que l’urée remanie considérablement la sphère de coordination du lithium, en remplaçant l’eau et en formant des configurations mixtes. À la concentration la plus élevée étudiée, environ deux tiers des ions lithium s’associent à une ou plusieurs molécules d’urée. Malgré cette réorganisation, le lithium, le perchlorate et l’urée diffusent à des vitesses comparables, et le nombre de transport cationique atteint environ 0,5. Associées à une comparaison entre la longueur de diffusion et la taille de la sphère de solvatation, ces observations pointent vers un mécanisme de transport véhiculaire, dans lequel les ions lithium migrent en groupe avec leur sphère de solvatation environnante plutôt que par sauts entre les sites de coordination.
Ces résultats illustrent comment la RMN multinucléaire, y compris avec des noyaux habituellement délaissés car considérés comme de pauvres sources d’information, peut être couplée à la simulation pour fournir une image à l’échelle moléculaire du transport ionique dans les électrolytes aqueux concentrés, des informations qui peuvent aider à guider la conception des futurs électrolytes de batteries.
[1] R. Pollet, P. Da Silva, Z. Peng, G. Wu, F. Fasquel, B. Claude-Montigny, M. Gauthier, A. Wong, « Urea Disrupts Lithium Solvation Shells: Multinuclear NMR and MD Insights into Aqueous Electrolytes Based on Deep Eutectic Solvents, » J. Phys. Chem. B 2026, 130, 5346–5354. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5c08411