鋰離子電池因其易燃的有機電解質而因具有火災隱患而存在缺陷。因此，人們一直在努力利用水基電解質作為更安全的替代品。然而，這受到電池內水分子電解成氫和氧的問題的阻礙，導致其效率低下、設備壽命短和安全問題等各種問題。

為了抑制不必要的水電解，有必要在水性鋰離子電池中溶解極高濃度的鹽。這些電解質中鹽的體積和重量都高于水，它們被稱為鹽包水電解質(WiSE)。這里電解質的粘度非常高，理論上會阻礙鋰離子的傳輸。

根據傳統理論，這幾乎是預料之中的，該理論預測水電解質系統在這種超濃縮環境中作為均勻混合物存在。換句話說，所有的水分子都應該與離子相互作用，從而完全破壞水分子之間的氫鍵。

然而，在這些高粘性WiSE中，鋰離子傳輸出乎意料地快。先前的研究使用拉曼光譜和分子動力學(MD)模擬，通過觀察這些超濃縮水性電解質中完全被離子包圍的孤立水分子，闡明了WiSE中水分子的擴展電化學穩定性窗口。盡管如此，這還不足以解釋WiSE內的快速鋰離子傳輸。

最近，基礎科學研究所(IBS)和大邱慶北科學技術研究所(DGIST)的分子光譜與動力學中心(CMSD)的一個研究小組發現了水動力學與鋰離子傳輸之間的相關性。他們使用偏振選擇性紅外泵浦探測光譜(IR-PP)和介電弛豫光譜(DRS)來觀察超濃縮鹽溶液中的水分子（ACS能量快報，“動態水促進超濃縮和共晶水溶液中的鋰離子傳輸電解質”）。

與其他水分子形成氫鍵的水分子具有快速旋轉動力學。水分子的快速旋轉特性促進了鋰離子通過車輛遷移的傳輸。（圖片：基礎科學研究所）

IR-PP是時間分辨非線性光譜，可以檢測單個水分子的振動和旋轉動力學，這有助于確定其氫鍵伙伴。同時，DRS作為一種補充工具來測量電解質中存在的化學物質的濃度，并為溶液的集體特性提供線索。

使用這些技術，該團隊觀察到WiSE中大量的塊狀水表現出純水的特性。這意味著即使在超高鹽濃度（28m）下，仍有大量水分子“口袋”與其他水分子形成氫鍵，這表明納米級溶劑化結構的異質性。此外，事實證明，塊狀水的旋轉動力學比陰離子結合水更快。這些觀察結果確定了與超濃縮水性電解質的大粘度相關的快速鋰離子傳輸的原因。

研究人員強調，這項研究是第一個從分子水平解釋超濃縮水性電解質中水分子動力學觀察的案例。這是有可能的，因為IR-PP有能力區分和觀察水分子，然后給他們的氫鍵伙伴。

CMSD主任CHOMinHaeng教授說，水在鋰離子傳輸機制中發揮著重要作用，而不僅僅是超濃縮水性電解質中的溶解鹽。這項研究有望在分子水平上為其他超濃縮電解質提供設計原理，以促進鋰離子的傳輸。