Switching of Redox Levels Leads to High Reductive Stability in Water-in-Salt Electrolytes

溶剂化 化学 电解质 电化学 水溶液 氧化还原 溶剂化壳 盐(化学) 分子 无机化学 电化学电位 离子 化学工程 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Feng Wang,Yan Sun,Jun Cheng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (7): 4056-4064 被引量:12
标识
DOI:10.1021/jacs.2c11793
摘要

Developing nonflammable electrolytes with wide electrochemical windows is of great importance for energy storage devices. Water-in-salt electrolytes (WiSE) have attracted great interests due to their widely opened electrochemical windows and high stability. Previous theoretical investigations have revealed changes in solvation shell of water molecules result in opening of HOMO–LUMO gaps of water, leading to the formation of an anion-derived solid-electrolyte-interphase (SEI) in WiSE. However, how solvation structures affect electrochemical windows at atomic level is still a puzzle, which hinders optimization and design of aqueous electrolytes. Herein, machine learning molecular dynamics and free energy calculation method are applied to compute redox potentials of anions of Li-salts and water of aqueous electrolytes at a range of salt concentrations. Furthermore, an analysis based on local solvation structures is employed to demonstrate the structure–property relations. Our calculation shows that the hydrogen evolution reaction is impeded in WiSE due to switching of the order of redox levels of the anion and H2O, leading to formation of SEI and high reductive stability. Level switching is caused by the special solvation environments of isolated water molecules. Our work provides new insight into the electrochemistry of aqueous electrolytes which would benefit the electrolyte design in energy storage devices.
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