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A theoretical study on Na+ solvation in carbonate ester and ether solvents for sodium-ion batteries.
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2020-01-08 , DOI: 10.1039/c9cp05636j Qi Liu 1 , Feng Wu 1 , Daobin Mu 1 , Borong Wu 1
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2020-01-08 , DOI: 10.1039/c9cp05636j Qi Liu 1 , Feng Wu 1 , Daobin Mu 1 , Borong Wu 1
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The electrochemical performance of sodium-ion batteries is strongly related to the electrolyte solvents. Na+ solvation in commonly used carbonate esters such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) as well as in ether solvents such as 1,3-dioxolane (DOL), tetrahydrofuran (THF), and dimethoxyethane (DME) is studied by the density functional theory for sodium-ion batteries. It is indicated that the thermodynamic equilibrium is reached when forming 4sol-Na+ in the EC, PC, DMC, EMC, DEC, and THF solvents by spontaneous stepwise solvation reactions, and the formation of 3sol-Na+ complexes will reach thermodynamic equilibrium in DOL and DME at room temperature. It is demonstrated that Na+ is more easily solvated by the carbonate ester-based solvents EC, PC, DEC, DMC and EMC compared with that for the ether-based solvents DOL, THF and DME. In addition, the cyclic carbonate ester solvents more easily form a solvation-Na+ complex compared with the linear carbonate ester solvents, and THF is the easiest to form the solvation-Na+ complex among the three ether-based solvents. It is also indicated that the C[double bond, length as m-dash]O and carbonate C-O bond stretching vibrations in carbonate ester solvation complexes move to higher and lower frequencies, respectively, with the decrease in Na+ concentration. In addition, the C-O stretching vibrations with or without Na+ interactions in the ether solvation complexes shift to higher and lower frequencies, respectively, and the shift in frequency is not obvious after forming the maximum innermost solvation shell.
中文翻译：
在钠离子电池的碳酸酯和醚溶剂中Na +溶剂化的理论研究。
钠离子电池的电化学性能与电解质溶剂密切相关。在常用的碳酸酯（例如碳酸亚乙酯（EC），碳酸亚丙酯（PC），碳酸二乙酯（DEC），碳酸二甲酯（DMC）和碳酸乙基甲基酯（EMC））以及醚溶剂（例如1）中的Na +溶剂化通过钠离子电池的密度泛函理论研究了3-二氧戊环（DOL），四氢呋喃（THF）和二甲氧基乙烷（DME）。表明通过自发的逐步溶剂化反应在EC，PC，DMC，EMC，DEC和THF溶剂中形成4sol-Na +时达到了热力学平衡，而3sol-Na +络合物的形成将在DOL和DOL中达到热力学平衡。 DME在室温下。结果表明，Na +更容易被碳酸酯类溶剂EC，PC，DEC，DMC和EMC与基于醚的溶剂DOL，THF和DME相比。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。DMC和EMC与醚基溶剂DOL，THF和DME相比。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。DMC和EMC与醚基溶剂DOL，THF和DME相比。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，而在三种醚基溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移动至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内在的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，而在三种醚基溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。
更新日期：2020-01-08
中文翻译：
在钠离子电池的碳酸酯和醚溶剂中Na +溶剂化的理论研究。
钠离子电池的电化学性能与电解质溶剂密切相关。在常用的碳酸酯（例如碳酸亚乙酯（EC），碳酸亚丙酯（PC），碳酸二乙酯（DEC），碳酸二甲酯（DMC）和碳酸乙基甲基酯（EMC））以及醚溶剂（例如1）中的Na +溶剂化通过钠离子电池的密度泛函理论研究了3-二氧戊环（DOL），四氢呋喃（THF）和二甲氧基乙烷（DME）。表明通过自发的逐步溶剂化反应在EC，PC，DMC，EMC，DEC和THF溶剂中形成4sol-Na +时达到了热力学平衡，而3sol-Na +络合物的形成将在DOL和DOL中达到热力学平衡。 DME在室温下。结果表明，Na +更容易被碳酸酯类溶剂EC，PC，DEC，DMC和EMC与基于醚的溶剂DOL，THF和DME相比。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。DMC和EMC与醚基溶剂DOL，THF和DME相比。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。DMC和EMC与醚基溶剂DOL，THF和DME相比。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。另外，与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，并且在三种基于醚的溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，而在三种醚基溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移动至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内在的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。与线性碳酸酯溶剂相比，环状碳酸酯溶剂更容易形成溶剂化-Na +络合物，而在三种醚基溶剂中，THF最容易形成溶剂化-Na +络合物。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。还表明，随着Na +浓度的降低，碳酸酯溶剂化络合物中的C 2双键，以m-O表示的长度和碳酸CO键的拉伸振动分别移动至较高和较低的频率。另外，在醚溶剂化配合物中具有或不具有Na +相互作用的CO拉伸振动分别移至较高和较低的频率，并且在形成最大的最内部的溶剂化壳之后，频率的变化不明显。
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