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Direct Evidence for Li Ion Hopping Conduction in Highly Concentrated Sulfolane-Based Liquid Electrolytes

电解质 环丁砜 离子 化学 化学物理 拉曼光谱 扩散 热传导 无机化学 分析化学(期刊) 材料科学 物理化学 热力学 有机化学 复合材料 电极 物理 光学 溶剂
作者
Kaoru Dokko,Daiki Watanabe,Yosuke Ugata,Morgan L. Thomas,Seiji Tsuzuki,Wataru Shinoda,Kei Hashimoto,Kazuhide Ueno,Yasuhiro Umebayashi,Masayoshi Watanabe
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:122 (47): 10736-10745 被引量:247
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.8b09439
摘要

We demonstrate that Li+ hopping conduction, which cannot be explained by conventional models i.e., Onsager's theory and Stokes' law, emerges in highly concentrated liquid electrolytes composed of LiBF4 and sulfolane (SL). Self-diffusion coefficients of Li+ (DLi), BF4– (DBF4), and SL (DSL) were measured with pulsed-field gradient NMR. In the concentrated electrolytes with molar ratios of SL/LiBF4 ≤ 3, the ratios DSL/DLi and DBF4/DLi become lower than 1, suggesting faster diffusion of Li+ than SL and BF4–, and thus the evolution of Li+ hopping conduction. X-ray crystallographic analysis of the LiBF4/SL (1:1) solvate revealed that the two oxygen atoms of the sulfone group are involved in the bridging coordination of two different Li+ ions. In addition, the BF4– anion also participates in the bridging coordination of Li+. The Raman spectra of the highly concentrated LiBF4–SL solution suggested that Li+ ions are bridged by SL and BF4– even in the liquid state. Moreover, detailed investigation along with molecular dynamics simulations suggests that Li+ exchanges ligands (SL and BF4–) dynamically in the highly concentrated electrolytes, and Li+ hops from one coordination site to another. The spatial proximity of coordination sites, along with the possible domain structure, is assumed to enable Li+ hopping conduction. Finally, we demonstrate that Li+ hopping suppresses concentration polarization in Li batteries, leading to increased limiting current density and improved rate capability compared to the conventional concentration electrolyte. Identification and rationalization of Li+ ion hopping in concentrated SL electrolytes is expected to trigger a new paradigm of understanding for such unconventional electrolyte systems.
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