Electrode Potential in Ionic Liquid Enlightened by Liquid Madelung Theory

电解质 化学 离子液体 化学物理 静电学 离子键合 分子动力学 分子 电极 离子 电极电位 溶剂化壳 求和法 势能 标准电极电位 马德隆常数 纳米技术 壳体(结构) 计算化学 离子势 热力学 纳米流体学 工作(物理) 纳米尺度 电势能 相互作用能 多原子离子
作者
Yusuke Irie,Atsushi Kitada,Longjie Liu,Norio Takenaka,Atsuo Yamada
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (36): 38810-38819
标识
DOI:10.1021/jacs.6c09488
摘要

Abstract Electrode potentials in electrolytes vary systematically with salt concentration, yet establishing a quantitative connection between electrolyte structure and electrode potential remains a longstanding challenge. Here, we demonstrate that the liquid Madelung energy─an atomistically resolved Coulombic descriptor obtained from simulations of all constituent molecules and ions─quantitatively accounts for electrode-potential shifts observed for the solvent-based and ionic liquid electrolytes investigated in the present study, the latter representing the concentrated limit. Decomposition of the Li+ electrostatic energy into contributions from surrounding species reveals two key electrostatic factors governing the potential shift: reduced electrostatic stabilization arising from Li+–anion coordination in the first coordination shell and enhanced Li+–Li+ repulsion emerging in the second coordination shell at high concentrations. This atomistic framework captures structural fluctuations inaccessible to classical Debye–Hückel and pseudo-lattice theories, and can be applied to ionic liquids exhibiting apparent nanoscale heterogeneity. These results demonstrate that the liquid Madelung framework can be extended from conventional solvent-based to ionic liquid electrolytes and provide an atomistic electrostatic perspective for the rational design of next-generation electrolytes composed of complex polyatomic species.
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