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From Electronic Structure to Ion Transport: Photoelectron Spectroscopy and Molecular Dynamics Simulations Reveal the Role of Anions in Lithium Battery Electrolytes

电解质 溶剂化 化学 锂(药物) 离子 化学物理 分子动力学 电子结构 结合能 X射线光电子能谱 计算化学 物理化学 原子物理学 核磁共振 有机化学 电极 物理 内分泌学 医学
作者
Yanrong Jiang,Wenjin Cao,Xiao-Fei Gao,Jinzhe Zeng,Haoyu Cao,Shaoping Zhu,Wenhao Wang,Xue Cheng,Dongqin Sun,Feiyu Chen,Weijia Zhang,Zhubin Hu,Xue‐Bin Wang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:129 (28): 6374-6384 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.5c03415
摘要

Electrolyte anions are pivotal for lithium battery performance, yet their fundamental electronic structural properties are not well understood. In this work, we employ a combination of negative-ion photoelectron spectroscopy (NIPES), ab initio calculations, and molecular dynamics (MD) simulations to investigate the electronic structures of three representative electrolyte anions. This multiscale approach enables us to elucidate how their intrinsic electronic properties govern anion-solvent interactions in gas-phase clusters, as well as lithium-ion (Li+) solvation structures and ion transport behavior in the condensed phase. NIPES reveals that difluoro(oxalato)borate (DFOB-), bis(fluorosulfonyl)imide (FSI-), and bis(oxalato)borate (BOB-) all exhibit high electron binding energies, with vertical/adiabatic detachment energies increasing from DFOB- (6.09/5.70 eV) to FSI- (6.80/6.10 eV) to BOB- (6.82/6.40 eV), correlating with enhanced oxidation stability. Ab initio calculations reveal that DFOB-/FSI--solvent complexes bind Li+ ∼ 10 kcal/mol stronger than BOB- series, aligning with the strength of a Li+-anion model. DFOB- exhibits pronounced charge localization on both oxygen and fluorine atoms, enabling their involvement in Li+ coordination. In contrast, fluorine atoms in FSI- are largely electron-depleted and remain excluded from direct Li+ binding. MD simulations further demonstrate that LiDFOB and LiFSI systems exhibit Li+ diffusion coefficients three and five times higher than those of LiBOB across four common solvents. Notably, LiFSI salt in acetonitrile (AN) exhibits the fastest Li+ diffusion among 12 electrolyte systems, highlighting the synergistic effect of FSI- and AN in promoting ion mobility. These findings provide a molecular-level understanding of the critical roles of anion and its microsolvation in optimizing Li+ diffusion dynamics, once again emphasizing the positioning of FSI- and DFOB- as prime candidates for next-generation electrolytes.
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