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Fluorescence correlation spectroscopy based insights into diffusion in electrochemical energy systems

电解质 化学 扩散 碳酸乙烯酯 溶剂化 离子 示踪剂 分析化学(期刊) 化学物理 荧光相关光谱 分子 热力学 物理化学 色谱法 电极 有机化学 物理 核物理学
作者
Viplove Tyagi,Bharati Debnath,Apurva Patrike,Satishchandra Ogale,Shivprasad Patil
出处
期刊:Methods and Applications in Fluorescence [IOP Publishing]
卷期号:10 (4): 044007-044007 被引量:1
标识
DOI:10.1088/2050-6120/ac896c
摘要

Abstract Fluorescence Correlation Spectroscopy, a commonly used technique for measuring diffusion of biomolecules and tracer dyes in different solvents, is employed to characterise the local transport properties in battery electrolytes. Diffusion of ions, a major limiting factor in battery capacity and charging rates, depends on the local interactions and structuredness of the electrolytic species. Structuredness in the electrolyte results from typical solvation behaviour of diffusing ions/molecules leading to long-range interactions. In this work, we have used FCS to measure tracer diffusion of Coumarin 343 in a mixture of Ethylene Carbonate (EC) and Dimethyl Carbonate (DMC), commonly used as electrolyte solvent in Li-ion batteries. The measured diffusion is found to depend on lithium-ion concentrations. It is found that the addition of LiPF 6 to an EC-DMC equimolar mixture slows down tracer diffusion significantly. Indeed, the bulk viscosity of the electrolyte added with LiPF 6 salt varies with salt concentration. However, the change in bulk viscosity (global behaviour) at high ion concentrations does not match the one inferred from applying Stoke-Einstein’s relation to the diffusion data (local behaviour). This indicates that the homogeneity of the electrolyte does not extend spatially to molecular scales around the diffusing tracer molecule. Measurements made on coin cells prepared with different concentrations of LiPF 6 show battery performance limited at higher concentrations, characterized by specific capacity loss at faster charging cycles. This limitation is directly related to the local behaviour of the electrolyte as quantified by measurements of tracer diffusion, which slows down, which remarkably outweighs the advantage of high carrier densities.
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