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Insight into poly(1,3-dioxolane)-based polymer electrolytes and their interfaces with lithium Metal: Effect of electrolyte compositions

电解质 溶剂化 锂(药物) 电化学 聚合物 材料科学 离子液体 化学工程 离子电导率 离子键合 金属 化学 分子 化学物理 无机化学 离子 物理化学 有机化学 电极 催化作用 内分泌学 工程类 医学
作者
Peibin Kang,Dongli Chen,Lingyun Wu,Xiaoping Yang,Gang Sui
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:455: 140931-140931 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.140931
摘要

The transport properties and electrochemical stability of advanced lithiummetal batteries are severely constrained by the actual electrolyte compositions. Herein, for comprehensive atomistic insights and the development of electrolyte scientific theory, molecular dynamics technology is employed to investigate the electrochemical properties of recently attractive poly(1,3-dioxolane)-based electrolytes and their interfaces with lithium metal. This work elaborates on the characteristics of Li+ solvation environments and the effects of polymer chain length or plasticizer content on the experiment-concerned properties of bulk electrolytes, including solvation sheath structures, ionic diffusions, conductivities, transport numbers, etc. Meanwhile, to clarify the influence of polymer or salt concentration on the electrolyte/lithium metal interface, three distinctive interface models were proposed and analyzed based on different electrolyte compositions in this work: liquid-based, polymer-based, and highly-concentrated systems. Compared with the unfavorable liquid interface layer in the liquid-based system, the latter two systems have more electrochemically stable interfacial construction due to the appearance of polymer on the lithium metal surface. Besides, the Li+ solvation structure, which is related to the lithium electrodeposition, exhibits orientation, e.g., small organic liquid molecules in the liquid-based system are more likely to appear on the side that is accessible to the lithium metal surface. These small molecules are essentially excluded from the Li+ solvation structures in the polymer-based electrolyte, which is another important factor for stabilizing the interface. Furthermore, compared with the bulk electrolytes, it is found that ionic conductions at the interfaces are not attenuated in all systems. This work presents a comprehensive, profound view from bulk to interfacial properties, thus providing a theoretical cornerstone for the composition design and performance optimization of polymer electrolytes for lithium metal batteries.
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