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Understanding the Conductivity and Transference Trade-Off in Polymer Electrolytes Using a Robeson-Inspired Upper Bound

电导率 电解质 聚合物电解质 材料科学 聚合物 复合材料 心理学 化学 离子电导率 电极 物理化学
作者
Zirong He,Nitash P. Balsara
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (10): 5960-5968
标识
DOI:10.1021/acsapm.5c00288
摘要

The development of high-performance electrolytes is crucial for advancing next-generation lithium and sodium battery technologies. Since the cation is the working ion in both technologies, electrolytes exhibiting the rapid cation transport are essential for making progress. Pathways to optimize electrolytes are unclear due to the inherent trade-off between conductivity and cation transference. While this trade-off is sometimes recognized, there are no well-accepted methodologies for quantifying it. Inspired by the Robeson upper bound for the permeability–selectivity trade-off in gas separation membranes, we propose an approach for quantifying the trade-off in electrolytes using Newman’s concentrated solution theory. We suggest calling this the Newman upper bound. By analyzing published data from 30 polymer electrolytes containing univalent lithium and sodium salts, the Newman upper bound is expressed as κ = 2.0(1/ρ+ – 1) where κ (mS/cm) is conductivity and ρ+ is the current fraction measured in a symmetric cell as first described by Bruce et al. [J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1987, 225 (1), 1–17]. This formulation of the upper bound introduces a critical guiding metric for designing next-generation polymer electrolytes; it highlights factors underlying the trade-off, including the salt diffusion coefficient (D), cation transference number relative to solvent velocity (t+0), and thermodynamic factor (1 + (d lnγ+–)/(d lnm)), where γ+– is the mean molar activity coefficient and m is the molality. These parameters have been measured for very few electrolytes. We posit that establishing the molecular properties that govern these parameters will lead to improved electrolytes that greatly exceed the current upper bound.
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