Reductive reactions via excess Li in mixture electrolytes of Li ion batteries: an ab initio molecular dynamics study

文献情報

出版日 2019-02-12
DOI 10.1039/C8CP04907F
インパクトファクター 3.676
著者

Woon Ih Choi, Min Sik Park, Youngseon Shim, Dong Young Kim, Yoon-Sok Kang, Hyo Sug Lee, Meiten Koh


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要旨

The electro-reduction of battery electrolytes plays a critical role in the formation of solid–electrolyte interphase (SEI) layers on the surfaces of negative electrodes. These layers have a significant influence on the performance of rechargeable battery cells. Using ab initio molecular dynamics, we demonstrate the electro-reduction of mixture electrolytes computationally by adding a certain number of excess Li+ first to form the solvation structure and the same number of electrons later for reductive reactions. Our method enables direct observations of the ring opening of one cyclic carbonate followed by merging with another solvent molecule as well as gas generation. When we examined FEC- and EC-based electrolytes, we were able to observe the differences in terms of reaction products. In particular, the two gaseous products that are generated the most are in accordance with recent in situ gas measurements in the literature. The different reaction products of each electrolyte also match well with the SEI constituents reported experimentally. By tracing reaction pathways, we found that Li+ ions facilitate many otherwise difficult electrochemical reactions, presumably by lowering energy barriers. We also found that the excess Li+ forms cationic clusters of Li2PF6+, which enable the reductive decomposition of salt anions and which do not occur easily simply by increasing the electronic occupation. Based on the reaction products of FEC-based electrolytes, here we propose a possible mechanism of polymerization through aldehyde intermediates that are known to bond with surrounding radical anions.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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