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Structural, Ionic, and Electronic Properties of Solid-State Phthalimide-Containing Polymers for All-Organic Batteries

聚合物 材料科学 化学物理 离子键合 邻苯二甲酰亚胺 阳极 纳米技术 离子 化学 物理化学 有机化学 电极 复合材料
作者
Riccardo Alessandri,Cheng-Han Li,Sheila Keating,Khirabdhi T. Mohanty,Aaron Peng,Jodie L. Lutkenhaus,Stuart J. Rowan,Daniel P. Tabor,Juan Pablo
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:4 (6): 2300-2311 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacsau.4c00276
摘要

Redox-active polymers serving as the active materials in solid-state electrodes offer a promising path toward realizing all-organic batteries. While both cathodic and anodic redox-active polymers are needed, the diversity of the available anodic materials is limited. Here, we predict solid-state structural, ionic, and electronic properties of anodic, phthalimide-containing polymers using a multiscale approach that combines atomistic molecular dynamics, electronic structure calculations, and machine learning surrogate models. Importantly, by combining information from each of these scales, we are able to bridge the gap between bottom-up molecular characteristics and macroscopic properties such as apparent diffusion coefficients of electron transport (D app). We investigate the impact of different polymer backbones and of two critical factors during battery operation: state of charge and polymer swelling. Our findings reveal that the state of charge significantly influences solid-state packing and the thermophysical properties of the polymers, which, in turn, affect ionic and electronic transport. A combination of molecular-level properties (such as the reorganization energy) and condensed-phase properties (such as effective electron hopping distances) determine the predicted ranking of electron transport capabilities of the polymers. We predict D app for the phthalimide-based polymers and for a reference nitroxide radical-based polymer, finding a 3 orders of magnitude increase in D app (≈10-6 cm2 s-1) with respect to the reference. This study underscores the promise of phthalimide-containing polymers as highly capable redox-active polymers for anodic materials in all-organic batteries, due to their exceptional predicted electron transport capabilities.
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