Il team di ricerca ha utilizzato i calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) per studiare il comportamento delle molecole d'acqua in presenza di ioni. DFT è un potente strumento per simulare la struttura elettronica di materiali e molecole. Il team si è concentrato su due sistemi specifici:la solvatazione degli ioni di litio (Li+) e l'interazione delle molecole d'acqua con una superficie di litio-ossigeno (Li-O).
Nel caso della solvatazione del Li+, i calcoli DFT hanno rivelato che le molecole d’acqua formano un guscio di idratazione altamente ordinato attorno allo ione litio. Questa struttura ordinata risulta dalle forti interazioni elettrostatiche tra lo ione di litio caricato positivamente e gli atomi di ossigeno caricati negativamente delle molecole d'acqua. Il guscio di idratazione protegge efficacemente lo ione di litio dall'interazione con altri ioni o molecole nella soluzione, il che è fondamentale per stabilizzare lo ione e facilitarne il trasporto nelle reazioni elettrochimiche.
Inoltre, i ricercatori hanno studiato l’interazione delle molecole d’acqua con una superficie Li-O, che rappresenta la superficie dell’elettrodo in una batteria agli ioni di litio. I calcoli DFT hanno mostrato che le molecole d’acqua formano forti legami idrogeno con gli atomi di ossigeno sulla superficie, creando una rete idrica che blocca efficacemente la migrazione degli ioni di litio dall’elettrodo. Questo effetto bloccante è responsabile della passivazione della superficie dell'elettrodo e della riduzione delle prestazioni della batteria nel tempo.
Nel complesso, il quadro teorico sviluppato dal gruppo di ricerca fornisce una comprensione completa del ruolo delle molecole d'acqua nella sintesi dei materiali e nei processi di produzione che coinvolgono gli ioni. I risultati contribuiscono alla progettazione razionale e all'ottimizzazione delle reazioni elettrochimiche e dei sistemi di batterie, consentendo materiali e dispositivi più efficienti e durevoli.
