Molecular Dynamics Studies on the Role of Molecular Polarizability in Li+ ions Diffusion in Polyethylene Oxide Electrolytes
- 주제어 (키워드) molecular dynamics simulation , polarizability , polyethylene oxide electrolyte , diffusion , Li cation
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 성봉준
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000076356
- UCI I804:11029-000000076356
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Understanding the transport mechanism of Li+ ions in polyethylene oxide (PEO) melts is critical to developing solid state electrolytes. While computer simulations provided insights on the transport mechanism, simulation studies often ignored polarizability in force fields due to a high computational cost, especially for polymeric systems that re- quire long time trajectories to estimate the transport properties. In this study, we consider two types of lithium salts (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) and lithium hexafluorophosphate (LiPF6) in PEO melts and perform all-atom molecular dynamics simulations with APPLE&P force field. The force field allows us to turn on and off the polarizability systematically. We find that the polarizability of PEO chains makes Li+ ions bind strongly to the oxygen atoms of the PEO chains with a high coordination number. Such strong binding of Li+ ions to oxygen atoms slows down the intrachain hopping of Li+ ions along the PEO chain backbone at short time scales but facilitates the cooperative motion of Li+ ions with particular PEO chain segments significantly at intermediate time scales. The enhanced cooperativity determines the ion conductivity and the self-diffusion of Li+ ions in PEO melts.
more초록 (요약문)
리튬 이온 배터리를 사용한 전기차 시장이 확대되고, 높은 성능을 요구함에 따라 차세대 배터리 개발의 필요성이 높아지고 있다. 고분자 전해질의 경우, 차세대 배터 리의 후보군으로 각광을 받고 있지만 낮은 이온 전도도로 인하여 상용화에 어려움 을 겪고 있다. 리튬 이온의 전도도를 높이기 위해서는 고분자 내에서 리튬 이온의 확산을 증가시킬 필요가 있고, 이를 위해서는 체계적인 방법으로 리튬 이온의 확산 메커니즘을 연구할 필요가 있다. 현재 고분자 전해질 내에서 리튬 이온의 확산은 크게 리튬 이온의 고분자 사슬 위를 따른 움직임, 고분자 사슬과 리튬 이온의 협력 적인 움직임, 그리고 리튬 이온이 여러 고분자 사슬을 넘나드는 움직임에 의해 일 어난다고 제안되고 있다. 이 연구에서는 각 분자의 편극성을 조절하여 각 분자가 리튬 이온의 움직임에 미치는 영향을 연구하고, 이 과정에서 리튬 이온의 각 움직 임이 리튬의 전체적인 확산 메커니즘에 미치는 영향에 대해 밝혀내었다. 대표적인 고분자 전해질인 폴리에틸렌 옥사이드 내에서 리튬 이온의 확산에 각 분 자가 어떤 영향을 미치는 지에 대해 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 연구를 진 행하였다. APPLE&P force field를 사용하여 각 분자의 편극성을 끄고 켜는 방식으 로 총 4가지 모델을 설정하였다. 모든 분자의 편극성이 켜져 있는 경우를 PM, 음이 온의 편극성이 꺼진 모델은 IA, 폴리에틸렌 옥사이드의 편극성이 꺼진 모델을 IP, 마지막으로 모든 분자의 편극성이 꺼진 경우를 NP라고 설정한 후, 각 모델의 결과 를 비교하여 각 분자가 리튬 이온의 확산 및 구조 형성에 미치는 결과를 분석하였 다. 본 연구를 통하여 폴리에틸렌 옥사이드의 편극성이 리튬 이온의 확산과 구조 형성에 가장 큰 영향을 미치는 것을 밝혀내었다. 또한 기존에 알려졌던 리튬 이온 의 사슬 위에서의 움직임은 리튬 이온의 전체적인 확산에 크게 기여하지 못했고, 리튬 이온과 폴리에틸렌 옥사이드 사이의 협력적인 움직임이 리튬 이온의 확산에 크게 기여한다는 것을 밝혀내었다.
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