Linking Solvation Equilibrium Thermodynamics to Electrolyte Transport Kinetics for Lithium Batteries

化学 溶剂化 电解质 动力学 热力学 锂(药物) 非平衡态热力学 平衡热力学 物理化学 离子 电极 有机化学 医学 物理 量子力学 内分泌学
作者
J. C. K. Lai,Yanjun Guo,Hao-En Lai,Francisco Ospina‐Acevedo,Weixi Tian,Dacheng Kuai,Dongliang Chen,Perla B. Balbuena,Feifei Shi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (17): 14348-14358 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00106
摘要

Correlating the solvation structure and thermodynamic properties with transport properties serves as the foundation for electrolyte design. While various physicochemical properties, such as relative solvating power, solvation energy, and spectroscopies have been used to study ion solvation, fundamental investigations in thermodynamic properties of solvation equilibrium across broad temperature ranges are not available. In this work, we combined temperature-resolved Infrared and Raman spectroscopies to systematically pinpoint the dynamic evolution of Li+-solvent and Li+-anion local coordination in typical ether and carbonate electrolytes from -60 to 60 °C. We identified a trend of temperature-driven equilibrium among electrolyte components. As the temperature increases, solvent-separated ion pairs (SSIP) are prone to converting to contact ion pairs (CIP), and CIP reverts to SSIP reversibly as the temperature decreases. By quantifying the temperature-responsive mean coordination number and solvate species concentrations, we reveal a preferential CIP association in carbonates compared to that in ethers. Gibbs free energy changes in diverse electrolytes exhibit a strong correlation with their respective Li+ transference number. The thermodynamic properties of solvation equilibrium offer new descriptors for quantifying dynamic solvation structure, and the solvation-property knowledge gained from these model electrolytes can serve as a benchmark reference for a broad spectrum of battery electrolytes.
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