Ionic Conduction Mechanism and Design of Metal–Organic Framework Based Quasi-Solid-State Electrolytes

化学 离子键合 溶剂化 化学物理 热传导 电解质 分子动力学 扩散 离子电导率 计算化学 离子 物理化学 热力学 有机化学 电极 物理
作者
Tingzheng Hou,Wentao Xu,Xiaokun Pei,Lu Jiang,Omar M. Yaghi,Kristin A. Persson
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (30): 13446-13450 被引量:63
标识
DOI:10.1021/jacs.2c03710
摘要

We report the theoretical and experimental investigation of two polyoxometalate-based metal–organic frameworks (MOFs), [(MnMo6)2(TFPM)]imine and [(AlMo6)2(TFPM)]imine, as quasi-solid-state electrolytes. Classical molecular dynamics coupled with quantum chemistry and grand canonical Monte Carlo are utilized to model the corresponding diffusion and ionic conduction in the two materials. Using different approximate levels of ion diffusion behavior, the primary ionic conduction mechanism was identified as solvent-assisted hopping (>77%). Detailed static and dynamic solvation structures were obtained to interpret Li+ motion with high spatial and temporal resolution. A rationally designed noninterpenetrating MOF-688(one-fold) material is proposed to achieve 6–8 times better performance (1.6–1.7 mS cm–1) than the current state-of-the-art (0.19–0.35 mS cm–1).
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