Design of novel additives and nonaqueous solvents for lithium-ion batteries through screening of cyclic organic molecules: an ab initio study of redox potentials

文献情報

出版日 2014-09-09
DOI 10.1039/C4CP03051F
インパクトファクター 3.676
著者

Min Sik Park, Yoon-Sok Kang, Dongmin Im, Seok-Gwang Doo, Hyuk Chang


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要旨

We have screened 142 cyclic organic compounds in search of novel functional additives and nonaqueous solvents for use in lithium-ion batteries through the use of ab initio calculations, and have determined redox potentials for all molecules. We have estimated the range of variation in oxidation potentials through heteroatom replacement and structure modification. By analyzing the oxidative properties of these compounds, we have shown that substituted heteroatoms and isomers in cyclic organic molecules can induce large variations of oxidation potentials more than 2.3 V. Calculations of reduction potentials show that the substituted heteroatoms, isomers, and the number of double bonds in cyclic organic molecules can change reduction potentials more than 1.7 V. Additionally, we have identified seventeen and twelve compounds that could serve as additives in eliciting film formation on cathodes and anodes, respectively. We have also identified five compounds that could function in the overcharge protection of over-lithiated layered oxide cathodes. Finally, we have identified five compounds that could serve as electrochemically stable solvents for high-voltage (>6 V vs. Li/Li+) applications. These inductive screenings and their analyses and findings extend our empirical knowledge into quantitative estimation in the design of materials.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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