Liquid structures, transport properties, and electrochemical properties of binary mixtures of lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide (LiTFSA) and dinitrile solvents [succinonitrile (SN), glutaronitrile (GN), and adiponitrile (ADN)] were investigated. In the LiTFSA/SN and LiTFSA/ADN systems, the stable crystalline solvates of LiTFSA–(SN)1.5 [melting point (Tm): 59 °C] and LiTFSA–(ADN)1.5 (Tm: 50 °C) were formed, respectively. In contrast, the LiTFSA/GN mixtures of a wide range of compositions were found to be glass-forming liquids at room temperature. Raman spectroscopy of LiTFSA/GN liquid mixtures revealed that increasing the LiTFSA concentration results in the formation of the solvent-bridged network structure Li+–GN–Li+. In addition, the considerable formation of contact ion pairs and ionic aggregates was observed in highly concentrated electrolytes. In the liquids, the Li+ ion dynamically exchanged ligands (GN and TFSA) and higher LiTFSA concentrations led to an increase in the ratio of the self-diffusion coefficients of Li+ and TFSA, DLi/DTFSA, as determined by pulsed field gradient NMR spectroscopy. The Li+ transference number (tLi+) of the [LiTFSA]/[GN] = 1/1.5 electrolyte in an electrochemical cell under anion-blocking conditions was estimated to be as high as 0.74. Furthermore, electrochemical measurements revealed that the reductive stability of the LiTFSA/GN electrolyte increases with increasing LiTFSA concentration. A [LiTFSA]/[GN] = 1/1.5 electrolyte is stable against the Li metal electrode, provided that the polarization is relatively small. Owing to high tLi+, a Li–S battery with the [LiTFSA]/[GN] = 1/1.5 electrolyte showed a high rate discharge capability despite its low ionic conductivity (0.21 mS cm−1) at room temperature.

1.
Y.
Yamada
and
A.
Yamada
,
J. Electrochem. Soc.
162
,
A2406
(
2015
).
2.
Y.
Yamada
,
J.
Wang
,
S.
Ko
,
E.
Watanabe
, and
A.
Yamada
,
Nat. Energy
4
,
269
(
2019
); available at https://www.nature.com/articles/s41560-019-0336-z
3.
M.
Watanabe
,
M. L.
Thomas
,
S.
Zhang
,
K.
Ueno
,
T.
Yasuda
, and
K.
Dokko
,
Chem. Rev.
117
,
7190
(
2017
).
4.
M.
Watanabe
,
K.
Dokko
,
K.
Ueno
, and
M. L.
Thomas
,
Bull. Chem. Soc. Jpn.
91
,
1660
(
2018
).
6.
K.
Yoshida
,
M.
Nakamura
,
Y.
Kazue
,
N.
Tachikawa
,
S.
Tsuzuki
,
S.
Seki
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
13121
(
2011
).
7.
Y.
Yamada
,
K.
Furukawa
,
K.
Sodeyama
,
K.
Kikuchi
,
M.
Yaegashi
,
Y.
Tateyama
, and
A.
Yamada
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
5039
(
2014
).
8.
L.
Suo
,
Y. S.
Hu
,
H.
Li
,
M.
Armand
, and
L.
Chen
,
Nat. Commun.
4
,
1481
(
2013
).
9.
J.
Qian
,
W. A.
Henderson
,
W.
Xu
,
P.
Bhattacharya
,
M.
Engelhard
,
O.
Borodin
, and
J. G.
Zhang
,
Nat. Commun.
6
,
6362
(
2015
).
10.
K.
Dokko
,
N.
Tachikawa
,
K.
Yamauchi
,
M.
Tsuchiya
,
A.
Yamazaki
,
E.
Takashima
,
J.-W.
Park
,
K.
Ueno
,
S.
Seki
,
N.
Serizawa
, and
M.
Watanabe
,
J. Electrochem. Soc.
160
,
A1304
(
2013
).
11.
A.
Nakanishi
,
K.
Ueno
,
D.
Watanabe
,
Y.
Ugata
,
Y.
Matsumae
,
J.
Liu
,
M. L.
Thomas
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
J. Phys. Chem. C
123
,
14229
(
2019
).
12.
R.
Tatara
,
D. G.
Kwabi
,
T. P.
Batcho
,
M.
Tulodziecki
,
K.
Watanabe
,
H. M.
Kwon
,
M. L.
Thomas
,
K.
Ueno
,
C.
V Thompson
,
K.
Dokko
,
Y.
Shao-Horn
, and
M.
Watanabe
,
J. Phys. Chem. C
121
,
9162
(
2017
).
13.
H. M.
Kwon
,
M. L.
Thomas
,
R.
Tatara
,
Y.
Oda
,
Y.
Kobayashi
,
A.
Nakanishi
,
K.
Ueno
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
6014
(
2017
).
14.
K.
Dokko
,
D.
Watanabe
,
Y.
Ugata
,
M. L.
Thomas
,
S.
Tsuzuki
,
W.
Shinoda
,
K.
Hashimoto
,
K.
Ueno
,
Y.
Umebayashi
, and
M.
Watanabe
,
J. Phys. Chem. B
122
,
10736
(
2018
).
15.
S.
Kondou
,
M. L.
Thomas
,
T.
Mandai
,
K.
Ueno
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
5097
(
2019
).
16.
Y.
Ugata
,
M. L.
Thomas
,
T.
Mandai
,
K.
Ueno
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
9759
(
2019
).
17.
K.
Yoshida
,
M.
Tsuchiya
,
N.
Tachikawa
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
J. Electrochem. Soc.
159
,
A1005
(
2012
).
18.
K.
Ueno
,
K.
Yoshida
,
M.
Tsuchiya
,
N.
Tachikawa
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
J. Phys. Chem. B
116
,
11323
(
2012
).
19.
K.
Ueno
,
R.
Tatara
,
S.
Tsuzuki
,
S.
Saito
,
H.
Doi
,
K.
Yoshida
,
T.
Mandai
,
M.
Matsugami
,
Y.
Umebayashi
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
8248
(
2015
).
20.
Y.
Abu-Lebdeh
and
I.
Davidson
,
J. Electrochem. Soc.
156
,
A60
(
2009
).
21.
Y.
Abu-Lebdeh
and
I.
Davidson
,
J. Power Sources
189
,
576
(
2009
).
22.
D.
Farhat
,
F.
Ghamouss
,
J.
Maibach
,
K.
Edström
, and
D.
Lemordant
,
ChemPhysChem
18
,
1333
(
2017
).
23.
D.
Farhat
,
D.
Lemordant
,
J.
Jacquemin
, and
F.
Ghamouss
,
J. Electrochem. Soc.
166
,
A3487
(
2019
).
24.
P.
Derollez
,
J.
Lefebvre
,
M.
Descamps
,
W.
Press
, and
H.
Fontaine
,
J. Phys.: Condens. Matter
2
,
6893
(
1990
).
25.
D.
Brouillette
,
D. E.
Irish
,
N. J.
Taylor
,
G.
Perron
,
M.
Odziemkowski
, and
J. E.
Desnoyers
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
4
,
6063
(
2002
).
26.
X.
Xuan
,
H.
Zhang
,
J.
Wang
, and
H.
Wang
,
J. Phys. Chem. A
108
,
7513
(
2004
).
27.
K.
Takada
,
Y.
Yamada
,
E.
Watanabe
,
J.
Wang
,
K.
Sodeyama
,
Y.
Tateyama
,
K.
Hirata
,
T.
Kawase
, and
A.
Yamada
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
33802
(
2017
).
28.
B. G.
Oliver
and
G. J.
Janz
,
J. Phys. Chem.
74
,
3819
(
1970
).
29.
S.-A.
Hyodo
and
K.
Okabayashi
,
Electrochim. Acta
34
,
1551
(
1989
).
30.
M.
Morita
,
Y.
Asai
,
N.
Yoshimoto
, and
M.
Ishikawa
,
J. Chem. Soc. Faraday Trans.
94
,
3451
(
1998
).
31.
Y.
Kameda
,
Y.
Umebayashi
,
M.
Takeuchi
,
M. A.
Wahab
,
S.
Fukuda
,
S.
Ishiguro
,
M.
Sasaki
,
Y.
Amo
, and
T.
Usuki
,
J. Phys. Chem. B
111
,
6104
(
2007
).
32.
Y.
Umebayashi
,
T.
Mitsugi
,
S.
Fukuda
,
T.
Fujimori
,
K.
Fujii
,
R.
Kanzaki
,
M.
Takeuchi
, and
S. I.
Ishiguro
,
J. Phys. Chem. B
111
,
13028
(
2007
).
33.
D. M.
Seo
,
P. D.
Boyle
,
R. D.
Sommer
,
J. S.
Daubert
,
O.
Borodin
, and
W. A.
Henderson
,
J. Phys. Chem. B
118
,
13601
(
2014
).
34.
D. M.
Seo
,
O.
Borodin
,
S. D.
Han
,
P. D.
Boyle
, and
W. A.
Henderson
,
J. Electrochem. Soc.
159
,
A1489
(
2012
).
35.
V.
Nilsson
,
R.
Younesi
,
D.
Brandell
,
K.
Edström
, and
P.
Johansson
,
J. Power Sources
384
,
334
(
2018
).
36.
R.
Rohan
,
T. C.
Kuo
,
J. H.
Lin
,
Y. C.
Hsu
,
C. C.
Li
, and
J. T.
Lee
,
J. Phys. Chem. C
120
,
6450
(
2016
).
37.
K.
Sodeyama
,
Y.
Yamada
,
K.
Aikawa
,
A.
Yamada
, and
Y.
Tateyama
,
J. Phys. Chem. C
118
,
14091
(
2014
).
38.
K.
Hayamizu
,
Y.
Aihara
,
S.
Arai
, and
C. G.
Martinez
,
J. Phys. Chem. B
103
,
519
(
1999
).
39.
K.
Hayamizu
,
J. Chem. Eng. Data
57
,
2012
(
2012
).
40.
O.
Borodin
and
G. D.
Smith
,
J. Phys. Chem. B
113
,
1763
(
2009
).
41.
C.
Zhang
,
K.
Ueno
,
A.
Yamazaki
,
K.
Yoshida
,
H.
Moon
,
T.
Mandai
,
Y.
Umebayashi
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
J. Phys. Chem. B
118
,
5144
(
2014
).
42.
J.
Alvarado
,
M. A.
Schroeder
,
M.
Zhang
,
O.
Borodin
,
E.
Gobrogge
,
M.
Olguin
,
M. S.
Ding
,
M.
Gobet
,
S.
Greenbaum
,
Y. S.
Meng
, and
K.
Xu
,
Mater. Today
21
,
341
(
2018
).
43.
M.
Forsyth
,
H.
Yoon
,
F.
Chen
,
H.
Zhu
,
D. R.
MacFarlane
,
M.
Armand
, and
P. C.
Howlett
,
J. Phys. Chem. C
120
,
4276
(
2016
).
44.
M.
Brinkkötter
,
G. A.
Giffin
,
A.
Moretti
,
S.
Jeong
,
S.
Passerini
, and
M.
Schönhoff
,
Chem. Commun.
54
,
4278
(
2018
).
45.
X.
Gao
,
F.
Wu
,
A.
Mariani
, and
S.
Passerini
,
ChemSusChem
12
,
4185
(
2019
).
46.
J.
Evans
,
C. A.
Vincent
, and
P. G.
Bruce
,
Polymer
28
,
2324
(
1987
).
47.
M. D.
Galluzzo
,
J. A.
Maslyn
,
D. B.
Shah
, and
N. P.
Balsara
,
J. Chem. Phys.
151
,
020901
(
2019
).
48.
F.
Wohde
,
M.
Balabajew
, and
B.
Roling
,
J. Electrochem. Soc.
163
,
A714
(
2016
).
49.
D.
Dong
,
F.
Sälzer
,
B.
Roling
, and
D.
Bedrov
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
29174
(
2018
).
50.
P. G.
Bruce
,
S. A.
Freunberger
,
L. J.
Hardwick
, and
J. M.
Tarascon
,
Nat. Mater.
11
,
19
(
2012
).
51.
B. L.
Ellis
,
K. T.
Lee
, and
L. F.
Nazar
,
Chem. Mater.
22
,
691
(
2010
).
52.
R. D.
Rauh
,
K. M.
Abraham
,
G. F.
Pearson
,
J. K.
Surprenant
, and
S. B.
Brummer
,
J. Electrochem. Soc.
126
,
523
(
1979
).
53.
H.
Yamin
and
E.
Peled
,
J. Power Sources
9
,
281
(
1983
).
54.
Y. V.
Mikhaylik
and
J. R.
Akridge
,
J. Electrochem. Soc.
151
,
A1969
(
2004
).
55.
M.
Cuisinier
,
P. E.
Cabelguen
,
B. D.
Adams
,
A.
Garsuch
,
M.
Balasubramanian
, and
L. F.
Nazar
,
Energy Environ. Sci.
7
,
2697
(
2014
).
56.
S.-E.
Cheon
,
K.-S.
Ko
,
J.-H.
Cho
,
S.-W.
Kim
,
E.-Y.
Chin
, and
H.-T.
Kim
,
J. Electrochem. Soc.
150
,
A800
(
2003
).
57.
K.
Yoshida
,
M.
Tsuchiya
,
N.
Tachikawa
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
J. Phys. Chem. C
115
,
18384
(
2011
).
58.
M.
Doyle
,
T. F.
Fuller
, and
J.
Newman
,
Electrochim. Acta
39
,
2073
(
1994
).
59.
K. M.
Diederichsen
,
E. J.
McShane
, and
B. D.
McCloskey
,
ACS Energy Lett.
2
,
2563
(
2017
).
60.
Z.
Li
,
Y.
Kamei
,
M.
Haruta
,
T.
Takenaka
,
A.
Tomita
,
T.
Doi
,
S.
Zhang
,
K.
Dokko
,
M.
Inaba
, and
M.
Watanabe
,
Electrochemistry
84
,
887
(
2016
).
61.
I. A.
Shkrob
,
T. W.
Marin
,
Y.
Zhu
, and
D. P.
Abraham
,
J. Phys. Chem. C
118
,
19661
(
2014
).
62.
G. G.
Eshetu
,
S.
Grugeon
,
G.
Gachot
,
D.
Mathiron
,
M.
Armand
, and
S.
Laruelle
,
Electrochim. Acta
102
,
133
(
2013
).
63.
X.
Fan
,
L.
Chen
,
X.
Ji
,
T.
Deng
,
S.
Hou
,
J.
Chen
,
J.
Zheng
,
F.
Wang
,
J.
Jiang
,
K.
Xu
, and
C.
Wang
,
Chem
4
,
174
(
2017
).
64.
S.
Chen
,
J.
Zheng
,
D.
Mei
,
K. S.
Han
,
M. H.
Engelhard
,
W.
Zhao
,
W.
Xu
,
J.
Liu
, and
J. G.
Zhang
,
Adv. Mater.
30
,
1706102
(
2018
).
65.
Y.
Maeyoshi
,
D.
Ding
,
M.
Kubota
,
H.
Ueda
,
K.
Abe
,
K.
Kanamura
, and
H.
Abe
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
25833
(
2019
).
66.
H.
Yoon
,
P. C.
Howlett
,
A. S.
Best
,
M.
Forsyth
, and
D. R.
MacFarlane
,
J. Electrochem. Soc.
160
,
A1629
(
2013
).
67.
J. W.
Park
,
K.
Ueno
,
N.
Tachikawa
,
K.
Dokko
, and
M.
Watanabe
,
J. Phys. Chem. C
117
,
20531
(
2013
).
68.
R.
Cao
,
J.
Chen
,
K. S.
Han
,
W.
Xu
,
D.
Mei
,
P.
Bhattacharya
,
M. H.
Engelhard
,
K. T.
Mueller
,
J.
Liu
, and
J. G.
Zhang
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
3059
(
2016
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.