Joner i saltsmältor kan gå ”mot strömmen”

I en ny artikel publicerad i den vetenskapliga tidskriften Communications Chemistry visar en forskargrupp vid Uppsala universitet med hjälp av datorsimuleringar att joner inte alltid beter sig som förväntat. I sin forskning om saltsmältor kunde de se att jonerna i saltblandningen de studerade i vissa fall påverkar varandra så pass mycket att de till och med kan röra sig åt ”fel” håll, det vill säga mot en elektrod med samma laddning.

Forskning kring framtidens batterier pågår inom många olika akademiska discipliner. Forskare vid institutionen för cell- och molekylärbiologi vid Uppsala universitet har utvecklat och studerat en modell för alkalihalider, där vanligt salt (natriumklorid) är det mest kända exemplet. Om sådana ämnen värms upp till flera hundra grader Celsius blir de till en elektriskt ledande vätska, en så kallad saltsmälta. Saltsmältor används redan i energisammanhang, till exempel i termisk solkraft i Sahara och som elektrolyt i saltsmältsbatterier som kan nyttjas för storskalig lagring av el.

Trots att de redan används på flera håll är en del grundläggande egenskaper hos saltsmältorna ännu inte helt klarlagda. När det gäller batterier har man ofta som mål att optimera ledningsförmågan. För att få fram ett så effektivt batteri som möjligt är det viktigt att känna till vad som händer med individuella joner. Det är detta som Uppsalaforskarna nu undersöker med sina simuleringar.

– Syftet med den här forskningen på sikt är att utveckla fysiska modeller för biologiska molekyler men de här salterna är relativt enkla och utgör en bra testbädd, säger David van der Spoel, professor och gruppledare för modelleringsprojektet.

Forskarnas simuleringar visar dock att salterna inte är så enkla som de först kan verka vara och att de har en del intressanta egenskaper, i synnerhet om man blandar olika alkalihalider med varandra.

Det finns en förenklad föreställning om att joner som rör sig i ett elektriskt fält (till exempel i ett batteri) inte växelverkar med varandra och enbart påverkas av det elektriska fältet. Forskarna kunde i sin nypublicerade studie visa att det inte alltid stämmer. Deras studie visar hur de lättare anjonerna, fluorid och klorid, i en blandning av litiumjoner med fluorid-, klorid- och jodidjoner, dras med litiumjonerna mot den negativa katoden i en (simulerad) batterielektrolyt.

– De negativa jonerna attraheras både av litiumjonerna och av den positiva anoden, där nettoeffekten av dessa krafter gör att de lättare anjonerna rör sig sakta mot katoden, eftersom de positiva litiumjonerna också rör sig ditåt, berättar studiens förstaförfattare Marie-Madeleine Walz.

I sin fortsatta forskning kommer gruppen att utveckla en vattenmodell för att studera vattenmolekylers samspel med joner. Till exempel kommer man att undersöka hur joners egenskaper påverkas av ett elektriskt fält när det finns vatten med i blandningen.

För mer information kontakta: David van der Spoel, tel: 070-3157044, e-post: david.vanderspoel@icm.uu.se

Referens till vetenskaplig artikel: Walz, M.-M. and van der Spoel, D., Microscopic origins of conductivity in molten salts unraveled by computer simulations, Communications Chemistry (2021), https://doi.org/10.1038/s42004-020-00446-2

Forskningen stöds av Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC) för storskaliga beräkningar samt The e-Science Collaboration (eSSENCE) och Vetenskapsrådet.