Combined first-principles statistical mechanics approach to sulfur structure in organic cathode hosts for polymer based lithium–sulfur (Li–S) batteries

文献情報

出版日 2021-11-26
DOI 10.1039/D1CP04550D
インパクトファクター 3.676
著者

Jörg Rappich, Victor G. Ruiz, Annika Bande


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要旨

Polymer-based batteries that utilize organic electrode materials are considered viable candidates to overcome the common drawbacks of lithium–sulfur (Li–S) batteries. A promising cathode can be developed using a conductive, flexible, and free-standing polymer, poly(4-thiophen-3-yl)benzenethiol) (PTBT), as the sulfur host material. By a vulcanization process, sulfur is embedded into this polymer. Here, we present a combination of electronic structure theory and statistical mechanics to characterize the structure of the initial state of the charged cathode on an atomic level. We perform a stability analysis of differently sulfurized TBT dimers as the basic polymer unit calculated within density-functional theory (DFT) and combine this with a statistical binding model for the binding probability distributions of the vulcanization process. From this, we deduce sulfur chain length (“rank”) distributions and calculate the average sulfur rank depending on the sulfur concentration and temperature. This multi-scale approach allows us to bridge the gap between the local description of the covalent bonding process and the derivation of the macroscopic properties of the cathode. Our calculations show that the main reaction of the vulcanization process leads to high-probability states of sulfur chains cross-linking TBT units belonging to different polymer backbones, with a dominant rank around n = 5. In contrast, the connection of adjacent TBT units of the same polymer backbone by a sulfur chain is the side reaction. These results are experimentally supported by Raman spectroscopy.

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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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