Direct Spectroscopic Observation of Ultraslow Ion Desolvation at an Interface

化学 离子 化学物理 分子 扩散 电池(电) 溶剂 电介质 分子动力学 动力学 计算化学 材料科学 热力学 有机化学 物理 功率(物理) 量子力学 光电子学
作者
Anwesha Maitra,Anuj Pennathur,Pei-Hua Chiang,Jahan M. Dawlaty
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (13): 5528-5536 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsaem.4c01012
摘要

Rapid charging of batteries is an important goal in electrochemical energy storage. Many factors complicate our understanding of the kinetics of this process, including intricacies of desolvation and intercalation of ions, solid-state diffusion, interfacial electrostatics, and paucity of clear spectroscopic signatures to study these phenomena separately. Here, we have dissected this problem by focusing on desolvation of Zn2+, which is of interest in recent multivalent ion battery research. To ensure a clear signature of interfacial desolvation, our unique approach is that we have installed a molecular layer at the interface that changes its vibrational frequency upon receiving desolvated Zn2+ from the bulk. The surface-bound molecule is 4-mercaptobenzonitrile (4-MBN), which forms an MBN-Zn2+ Lewis adduct with a distinct frequency shift. Using this approach, first we report that the kinetics of desolvation from some solvents, even when saturated in Zn2+, is quite slow, ranging from 11 min for water to 2 min for dimethyl carbonate, supporting the proposal that desolvation alone can be a major barrier to the charging and discharging speed in batteries. Second, we observe that the interfacial equilibrium population of MBN-Zn2+ does not have a clear correlation with the solvent dielectric constant, donor number, or saturated Zn2+ concentration value, further supporting the premise that such bulk properties fail to predict interfacial phenomena. Our results are relevant to research in energy storage in batteries, especially for the use of multivalent ions that face large desolvation penalties.
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