Liquid Structure with Nano-Heterogeneity Promotes Cationic Transport in Concentrated Electrolytes

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作者
Oleg Borodin,Liumin Suo,Mallory Gobet,Xiaoming Ren,Fei Wang,Antonio Faraone,Jing Peng,Marco Olguin,Marshall A. Schroeder,Michael S. Ding,Eric A. Gobrogge,Arthur v. Cresce,Stephen Munoz,Joseph A. Dura,Steve Greenbaum,Chunsheng Wang,Kang Xu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:11 (10): 10462-10471 被引量:448
标识
DOI:10.1021/acsnano.7b05664
摘要

Using molecular dynamics simulations, small-angle neutron scattering, and a variety of spectroscopic techniques, we evaluated the ion solvation and transport behaviors in aqueous electrolytes containing bis(trifluoromethanesulfonyl)imide. We discovered that, at high salt concentrations (from 10 to 21 mol/kg), a disproportion of cation solvation occurs, leading to a liquid structure of heterogeneous domains with a characteristic length scale of 1 to 2 nm. This unusual nano-heterogeneity effectively decouples cations from the Coulombic traps of anions and provides a 3D percolating lithium-water network, via which 40% of the lithium cations are liberated for fast ion transport even in concentration ranges traditionally considered too viscous. Due to such percolation networks, superconcentrated aqueous electrolytes are characterized by a high lithium-transference number (0.73), which is key to supporting an assortment of battery chemistries at high rate. The in-depth understanding of this transport mechanism establishes guiding principles to the tailored design of future superconcentrated electrolyte systems.
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