Структура та транспортні властивості розчинів NaPF6 у сумішах етиленкарбонату з диметилкарбонатом для натрій-іонних акумуляторів: МД моделювання
Анотація
Натрій-іонні акумулятори (SIBs) потенційно можуть стати новими ефективними пристроями зберігання електричної енергії. Однак, на даний момент основною проблемою є відсутність чіткої технології їх виготовлення. Для промислового виробництва SIBs необхідно розробити катодні та анодні матеріали, а також підібрати оптимальний склад електроліту. З цією метою за допомогою методів молекулярно-динамічного моделювання нами було розраховано густину, в’язкість, електропровідність та коефіцієнти дифузії для систем NaPF6 у бінарному розчиннику EC:DMC (15:85 wt%, 30:70 wt% та 50:50 wt%), а також розглянуто їх структурні властивості.
Структура сольватної оболонки катіонів та аніонів була вивчена в рамках функцій радіального розподілу та поточних координаційних чисел. Результати вказують на більш структуровану сольватну оболонку катіонів Na+, аніж аніонів PF6-.
Дослідження транспортних властивостей показало, що найбільш підходящими електролітами для виготовлення натрій-іонних акумуляторів є системи, у яких EC:DMC=15:85 wt%. Це пов’язано з тим, що електроліт саме цього складу виявив найменші величини в’язкості в області всіх концентрацій, а також найвищі значення електропровідності. Коефіцієнти дифузії Na+ для цієї системи також набувають найвищих значень у порівнянні з електролітами іншого складу, що є переконливим аргументом у її майбутньому застосуванні у натрій-іонних акумуляторах.
Завантаження
Посилання
Kim, T.; Song, W.; Son, D.-Y.; Ono, L. K.; Qi, Y. Lithium-ion batteries: outlook on present, future, and hybridized technologies. Journal of Materials Chemistry A 2019, 7 (7), 2942-2964. https://doi.org/10.1039/C8TA10513H
Li, M.; Lu, J.; Chen, Z.; Amine, K. 30 years of lithium‐ion batteries. Advanced Materials 2018, 30 (33), 1800561. https://doi.org/10.1002/adma.201800561
Hwang, J.-Y.; Myung, S.-T.; Sun, Y.-K. Sodium-ion batteries: present and future. Chemical Society Reviews 2017, 46 (12), 3529-3614. https://doi.org/10.1039/C6CS00776G
Adelhelm, P.; Hartmann, P.; Bender, C. L.; Busche, M.; Eufinger, C.; Janek, J. From lithium to sodium: cell chemistry of room temperature sodium–air and sodium–sulfur batteries. Beilstein Journal of Nanotechnology 2015, 6 (1), 1016-1055. https://doi.org/10.3762/bjnano.6.105
Hong, S. Y.; Kim, Y.; Park, Y.; Choi, A.; Choi, N.-S.; Lee, K. T. Charge carriers in rechargeable batteries: Na ions vs. Li ions. Energy & Environmental Science 2013, 6 (7), 2067-2081. https://doi.org/10.1039/C3EE40811F
Vaalma, C.; Buchholz, D.; Weil, M.; Passerini, S. A cost and resource analysis of sodium-ion batteries. Nature Reviews Materials 2018, 3 (4), 1-11. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2018.13
Delmas, C. Sodium and sodium‐ion batteries: 50 years of research. Advanced Energy Materials 2018, 8 (17), 1703137. https://doi.org/10.1002/aenm.201703137
Ponrouch, A.; Monti, D.; Boschin, A.; Steen, B.; Johansson, P.; Palacín, M. R. Non-aqueous electrolytes for sodium-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A 2015, 3 (1), 22-42. https://doi.org/10.1039/C4TA04428B
Kim, H.; Kim, H.; Ding, Z.; Lee, M. H.; Lim, K.; Yoon, G.; Kang, K. Recent progress in electrode materials for sodium‐ion batteries. Advanced Energy Materials 2016, 6 (19), 1600943. https://doi.org/10.1002/aenm.201600943
Kim, S. W.; Seo, D. H.; Ma, X.; Ceder, G.; Kang, K. Electrode materials for rechargeable sodium‐ion batteries: potential alternatives to current lithium‐ion batteries. Advanced Energy Materials 2012, 2 (7), 710-721. https://doi.org/10.1002/aenm.201200026
Wang, L. P.; Yu, L.; Wang, X.; Srinivasan, M.; Xu, Z. J. Recent developments in electrode materials for sodium-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A 2015, 3 (18), 9353-9378. https://doi.org/10.1039/C4TA06467D
Monti, D.; Jónsson, E.; Boschin, A.; Palacín, M. R.; Ponrouch, A.; Johansson, P. Towards standard electrolytes for sodium-ion batteries: physical properties, ion solvation and ion-pairing in alkyl carbonate solvents. Physical Chemistry Chemical Physics 2020, 22 (39), 22768-22777. https://doi.org/10.1039/D0CP03639K
Chayambuka, K.; Cardinaels, R.; Gering, K. L.; Raijmakers, L.; Mulder, G.; Danilov, D. L.; Notten, P. H. An experimental and modeling study of sodium-ion battery electrolytes. Journal of Power Sources 2021, 516, 230658. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230658
Hakim, L.; Ishii, Y.; Matsumoto, K.; Hagiwara, R.; Ohara, K.; Umebayashi, Y.; Matubayasi, N. Transport properties of ionic liquid and sodium salt mixtures for sodium-ion battery electrolytes from molecular dynamics simulation with a self-consistent atomic charge determination. The Journal of Physical Chemistry B 2020, 124 (33), 7291-7305. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.0c04078
Xu, K. Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries. Chemical Reviews 2004, 104 (10), 4303-4418. https://doi.org/10.1021/cr030203g
Vignarooban, K.; Kushagra, R.; Elango, A.; Badami, P.; Mellander, B.-E.; Xu, X.; Tucker, T.; Nam, C.; Kannan, A. M. Current trends and future challenges of electrolytes for sodium-ion batteries. International Journal of Hydrogen Energy 2016, 41 (4), 2829-2846. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.090
Ponrouch, A.; Marchante, E.; Courty, M.; Tarascon, J.-M.; Palacín, M. R. In search of an optimized electrolyte for Na-ion batteries. Energy & Environmental Science 2012, 5 (9), 8572-8583. https://doi.org/10.1039/C2EE22258B
Kalhoff, J.; Eshetu, G. G.; Bresser, D.; Passerini, S. Safer electrolytes for lithium‐ion batteries: state of the art and perspectives. ChemSusChem 2015, 8 (13), 2154-2175. https://doi.org/10.1002/cssc.201500284
Landesfeind, J.; Hosaka, T.; Graf, M.; Kubota, K.; Komaba, S.; Gasteiger, H. A. Comparison of ionic transport properties of non-aqueous lithium and sodium hexafluorophosphate electrolytes. Journal of The Electrochemical Society 2021, 168 (4), 040538. http://dx.doi.org/10.1149/1945-7111/abf8d9
Kalugin, O.; Volobuev, M.; Kolesnik, Y. V. MDNAES: the program set for computer modelling of ion-molecular systems by using molecular dynamics method. Kharkov University Bulletin 1999, 454, 58-79.
Bussi, G.; Donadio, D.; Parrinello, M. Canonical sampling through velocity rescaling. The Journal of Chemical Physics 2007, 126 (1). https://doi.org/10.1063/1.2408420
Berendsen, H. J.; Postma, J. v.; Van Gunsteren, W. F.; DiNola, A.; Haak, J. R. Molecular dynamics with coupling to an external bath. The Journal of Chemical Physics 1984, 81 (8), 3684-3690. https://doi.org/10.1063/1.448118
Haile, J. M. Molecular dynamics simulation: elementary methods; John Wiley & Sons, Inc., 1992. ISBN:978-0-471-81966-0
Haberlandt, R.; Frietzsche, S.; Peinel, G. Grundlagen und Anwendungen. Wiesbaden: Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH 1995, 19. https://doi.org/10.1007/978-3-322-90870-4
Jorgensen, W. L.; Maxwell, D. S.; Tirado-Rives, J. Development and testing of the OPLS all-atom force field on conformational energetics and properties of organic liquids. Journal of the American Chemical Society 1996, 118 (45), 11225-11236. https://doi.org/10.1021/ja9621760
Canongia Lopes, J. N.; Deschamps, J.; Pádua, A. A. Modeling ionic liquids using a systematic all-atom force field. The Journal of Physical Chemistry B 2004, 108 (6), 2038-2047. https://doi.org/10.1021/jp0362133
Dudariev, D.; Holubenko, Y.; Jallah, R.; Kalugin, O. Microstructure and transport properties of lithium hexafluorophosphate solutions in binary mixture of dimethyl carbonate with ethylene carbonate from molecular dynamics simulation. Kharkiv University Bulletin. Chemical Series 2024, (42), 23-37. https://doi.org/10.26565/2220-637X-2024-42-03
