Effect of water on the behaviour of lithium and superoxide ions in aprotic solvents

文献情報

出版日 2021-09-15
DOI 10.1039/D1CP03429D
インパクトファクター 3.676
著者

Vyacheslav Sivakov, Vladimir Smirnov, Sergey Kislenko


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要旨

An aprotic lithium–air battery is a promising candidate for next-generation energy storage systems, but its practical performance is still low. The addition of water to an electrolyte can substantially increase the capacity and round-trip efficiency of batteries. However, fundamental mechanisms of the water impact are still far from being fully understood. To contribute to this issue, we studied by molecular dynamics simulations the effect of water additives on the behaviour of discharge intermediates Li+ and O2− in two frequently used solvents: dimethoxyethane (DME) and dimethyl sulfoxide (DMSO). We have estimated the structures of the solvation shells around Li+ and O2− ions, and the residence times of various electrolyte components inside the solvation shells depending on the concentration of water additives. Furthermore, we have estimated the rate and the equilibrium of the Li+ and O2− association. Our results reveal that water additives in electrolytes shift the equilibrium of the association reaction toward soluble Li+ and O2− ions in both DME and DMSO. These data argue for the view that water promotes the solution discharge mechanism, thus increasing the capacity. Moreover, we show that water accelerates the kinetics of the association reaction due to the decrease of the stability of Li+ and O2− solvation shells. This may explain the reduced discharge overpotential when water is added.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
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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