Solvation governs cation transference in glyme-based lithium battery electrolytes

溶剂化 电解质 化学 锂(药物) 离子 溶剂化壳 分子 化学物理 无机化学 物理化学 有机化学 电极 医学 内分泌学
作者
Julia Im,Chao Fang,David M. Halat,Saheli Chakraborty,Darby T. Hickson,I. S. Woolsey,Quynh Nhi Dao,Rui Wang,Jeffrey A. Reimer,Nitash P. Balsara
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:162 (21) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0270443
摘要

The efficacy of electrochemical systems is governed by the cation transference number, which represents the fraction of current carried by the working ion. Energy is wasted when field-induced motion also drives anions and solvent molecules, decreasing the transference number to near-zero. We present a systematic study of cation transference in a series of electrolytes: tetraglyme (TG), octaglyme (OG), and poly(ethylene oxide) (PEO) mixed with lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide. In all three electrolytes, starting from the dilute salt concentration limit, the experimentally measured cation transference number decreases with increasing concentration, reaching a minimum between −0.1 and −0.2, before rising back to positive values. Explicit measurements of field-induced species’ velocities by electrophoretic nuclear magnetic resonance indicate that negative cation transference numbers in TG and OG electrolytes are dictated by solvation interactions with minimal contribution from anion-cation interactions. Simulation-based solvation structures indicate that OG serves as a bridge between TG and PEO. Multi-charge positive clusters, which are negligible in TG, become increasingly important at higher chain lengths (OG and PEO). As migrating cations drag their solvation shells, this solvation-induced motion is amplified in glyme electrolytes because of covalent interactions between solvating glyme molecules and free glyme molecules.
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