Correlating Li+-Solvation Structure and its Electrochemical Reaction Kinetics with Sulfur in Subnano Confinement

硫黄 动力学 溶剂化 电化学 化学 化学动力学 化学物理 物理 物理化学 电极 离子 有机化学 量子力学
作者
Chengyin Fu,Lihua Xu,Fredy Aquino,Arthur v. Cresce,Mallory Gobet,Steve Greenbaum,Kang Xu,Bryan M. Wong,Juchen Guo
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:9 (7): 1739-1745 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.8b00567
摘要

Combining theoretical and experimental approaches, we investigate the solvation properties of Li+ ions in a series of ether solvents (dimethoxyethane, diglyme, triglyme, tetraglyme, and 15-crown-5) and their subsequent effects on the solid-state lithium-sulfur reactions in subnano confinement. The ab initio and classical molecular dynamics (MD) simulations predict Li+ ion solvation structures within ether solvents in excellent agreement with experimental evidence from electrospray ionization-mass spectroscopy. An excellent correlation is also established between the Li+-solvation binding energies from the ab initio MD simulations and the lithiation overpotentials obtained from galvanostatic intermittent titration techniques (GITT). These findings convincingly indicate that a stronger solvation binding energy imposes a higher lithiation overpotential of sulfur in subnano confinement. The mechanistic understanding achieved at the electronic and atomistic level of how Li+-solvation dictates its electrochemical reactions with sulfur in subnano confinement provides invaluable guidance in designing future electrolytes and electrodes for Li-sulfur chemistry.
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