Computational Investigation of Lithium-Ion Transport Mechanisms in Perfluoropolyether Polymers

聚合物 电解质 离子键合 材料科学 离子电导率 环氧乙烷 锂(药物) 离子 化学工程 高分子化学 化学 有机化学 共聚物 物理化学 电极 复合材料 医学 工程类 内分泌学
作者
Yuki Kamikawa,Koji Amezawa
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (25): 10237-10247 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c00895
摘要

Perfluoropolyether (PFPE) polymers potentially improve the thermodynamic stability, compatibility, and ionic conductivity of sulfide-based solid-state electrolyte (SSE)/Li-metal interfaces. However, ion-transport kinetics of PFPE polymers remain inadequately understood. Using molecular dynamics, we characterized the coordination structures and diffusion in PFPEs terminated with hydroxyl or carboxyl moieties and poly(ethylene oxide) (PEO) embedded with lithium and bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ions. The mechanism underlying Li+ diffusion in the PFPE polymers was found to differ from that in PEO, and their respective ion–polymer contact strengths and durations were analyzed. Furthermore, the terminal structure of PFPE polymers was shown to significantly alter the cation–polymer and anion–polymer coordination structures, which in turn accounts for the different extents of the Li+ coordination strength in PFPE-diol and PFPE-dimethylcarbonate (DMC). Finally, PFPE-DMC favors longer durations of contact with cations and shorter ones with anions, whereas this relationship is reversed in PFPE-diol. Thus, we provide a novel way to explain experimentally the observed differences in their ionic conductivities, and we illustrate a general principle for increasing Li+ diffusivity in PFPE polymers, providing an avenue for understanding ionic migration in PFPE–SSE composite electrolytes.
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