Physicochemical and electrochemical properties of lithium trifluoromethanesulfonate solutions in sulfolane-1.3-dioxolane mixtures

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The physicochemical properties (specific ion conductivity, viscosity, and density) of 1.0M solutions of LiSO3CF3 in sulfolane – 1.3-dioxolane mixtures in the temperature range of 30–50°C are studied. The specific ion conductivity isotherms is shown to pass through their maximum at a 1.3-dioxolane content of about 60 mol % (1.75×10–3 Ω–1 cm–1, 30°C). It is found that the viscosity and corrected (for viscosity) conductivity of the studied solutions decrease as the 1.3-dioxolane content increases and the temperature grows. It is concluded that the activation energies of the conductivity and viscous flow, as well as their ratio, decrease as the 1.3-dioxolane content increases. Self-diffusion coefficients of all components of the studied electrolyte solutions are estimated by NMR spectroscopy, and lithium cation transport numbers are calculated. The transport number of lithium cation is found to vary nonlinearly depending on the solution composition, viz. the maximum value (0.56) is reached when the ratio of sulfolane:1.3-dioxolane ≈ 2:3, which correlates with the position of the maximum on the conductivity isotherm. The melting points of 1.0M LiSO3CF3 solutions in mixtures of sulfolane with 1.3-dioxolane are shown to decrease as the content of the latter increases. It is noted that when the content of 1.3-dioxolane is more than 50 mol %, electrolyte solutions are in the liquid phase state at temperatures below –70°С.

Full Text

Restricted Access

About the authors

L. V. Sheina

Ufa Institute of Chemistry of the Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: sheina.l.v@gmail.com
Russian Federation, Ufa

E. V. Karaseva

Ufa Institute of Chemistry of the Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: karaseva@anrb.ru
Russian Federation, Ufa

A. N. Lobov

Ufa Institute of Chemistry of the Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: sheina.l.v@gmail.com
Russian Federation, Ufa

V. S. Kolosnitsyn

Ufa Institute of Chemistry of the Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: sheina.l.v@gmail.com
Russian Federation, Ufa

References

  1. Lin Y., Huang S., Zhong L., et al. // Energy Storage Materials. 2021. V. 34. P. 128. https:// doi.org/10.1016/j.ensm.2020.09.009
  2. Wang L., Ye Y., Chen N., et al. // Adv. Funct. Mater. 2018. V. 28. 1800919. https://doi.org/10.1002/adfm.201800919
  3. Liu Y., Elias Y., Meng J., et al. // Joule. 2021. V. 5. № 9. P. 2323. https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.06.009
  4. Zhang S., Ueno K., Dokko K., Watanabe M. // Adv. Energy Mater. 2015. V. 5. 1500117. doi: 10.1002/aenm.201500117
  5. Abouimrane A., Belharouak I., Amine K. // Electrochem. Com. 2009. V. 11. P. 1073. 10.1016/j.elecom.2009.03.020' target='_blank'>https://doi: 10.1016/j.elecom.2009.03.020
  6. Hofmann A., Schulz M., Indris S., et al. // Electrochim. Acta. 2014. V. 147. P. 704. http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2014.09.111
  7. Wu W., Bai Y., Wang X., Wu C. // Chinese Chemical Letters. 2021. V. 32. P. 1309. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2020.10.009
  8. Ugata Y., Chen Y., Sasagawa S., et al. // J. Phys. Chem. C. 2022. V. 126. P. 10024. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c02922
  9. Kim H.S., Jeong C.S. // Bull. Korean Chem. Soc. 2011. V. 32. № 10. P. 3682. http://dx.doi.org/10.5012/bkcs.2011.32.10.3682
  10. Zhong H., Wang C., Xu Z., et al. // Scientific Reports. 2016. V. 6. № 1. 25484. doi: 10.1038/srep25484
  11. Raccichini R., Dibden J.W., Brew A., et al. // J. Phys. Chem. B. 2018. V. 122. № 1. P. 267. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b09614
  12. Mi Y.Q., Deng W., He C., et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2023. V. 62. e202218621. doi.org/10.1002/anie.202218621
  13. Andrea M.L., Giorgio F.D., Soavi F., et al. // ChemElectroChem. 2018. V. 5. № 9. P. 1272. https://doi.org/10.1002/celc.201701348
  14. Barghamadi M., Best A.S., Hollenkamp A.F., et al. // Electrochim. Acta. 2016. V. 222. P. 257. 10.1016/j.electacta.2016.10.169' target='_blank'>http://dx.doi.org/doi: 10.1016/j.electacta.2016.10.169
  15. Mikhaylik Y.V. Electrolytes for Lithium Sulfur Cells: US Patent 7354680 B2. 2008.
  16. Aurbach D., Pollak E., Elazari R., et al. // J. Electrochem. Soc. 2009. V. 156. № 8. P. A694. doi: 10.1149/1.3148721
  17. Parfitt C.E. Characterisation, Modelling and Management of Lithium-Sulphur Batteries for Spacecraft Applications. PhD thesis, University of Warwick, 2012. 308 p. http://go.warwick.ac.uk/wrap/57030/
  18. Колосницын В.С., Слободчикова Н.В., Шеина Л.В. // Журн. прикл. химии. 2000. Т. 73. № 7. С. 1089. [Kolosnitsyn V.S., Slobodchikova N.V., Sheina L.V. // Russ. J. Applied Chemistry. 2000. V. 73. № 7. P. 1152.]
  19. Колосницын В.С., Слободчикова Н.В., Каричковская Н.В., Шеина Л.В. // Russ. J. Applied Chemistry. 2001. Т. 74. № 4. С. 560. [Kolosnitsyn V.S., Slobodchikova N.V., Karichkovskaya N.V., Sheina L.V. // Russ. J. Applied Chemistry. 2001. V. 74. № 4. Р. 576.]
  20. Колосницын В.С., Слободчикова Н.В., Мочалов С.Э., Каричковская Н.В. // Электрохимия. 2001. Т. 37. № 6. С. 741. [Kolosnitsyn V.S., Slobodchikova N.V., Mochalov S.E., Karichkovskaya N.V. // Russ. J. Electrochem. 2001. V. 37. № 6. Р. 632. doi: 10.1023/A:1016630904258]
  21. Karaseva E.V., Kuzmina E.V., Li B.-Q., Zhang Q., Kolosnitsyn V.S. // J. Energy Chemistry. 2024. V. 95. P. 231. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.02.052
  22. Younesi R., Veith G.M., Johansson P., et al. // Energy Environ. Sci. 2015. V. 8. P. 1905. doi: 10.1039/c5ee01215e
  23. Dong L., Zhong S., Yuan B., et al. // Research. 2022. V. 2022. 9837586. doi: 10.34133/2022/9837586
  24. Lu D., Xu G., Hu Z., et al. // Small Methods. 2019. V. 3. 1900546. doi: 10.1002/smtd.201900546
  25. Ugata Y., Sasagawa S., Tatara R., et al. // J. Phys. Chem. B. 2021. V. 125. P. 6600. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.1c01361
  26. Hess S., Wohlfahrt-Mehrens M., and Wachtler M. // Electrochem. Soc. 2015. V. 162. № 2. P. A3084. doi: 10.1149/2.0121502jes
  27. Cataldo F. // Eur. Chem. Bull. 2015. V. 4. № 2. P. 92. doi: 10.17628/ECB.2015.4.92
  28. Xu K. // Chemical Reviews. 2004. V. 104. № 10. P. 4303. https://doi.org/10.1021/cr030203g
  29. Sheina L.V., Karaseva E.V., Kolosnitsyn V.S. // Rus. J. Phys. Chem. A. 2024. V. 98. P. 431. https://doi.org/10.1134/S0036024424030269
  30. Papaioannou D., Bridakis M., Panayiotou C.G. // J. Chem. Eng. Data. 1993. V. 38. P. 370. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/je00011a010
  31. Vraneš M., Zec N., Tot A., Papović S., Dožić S., Gadžuric S. // J. Chem. Thermodynamics. 2014. V. 68. P. 98. http://dx.doi.org/10.1016/j.jct.2013.08.034
  32. Nakanishi A., Ueno K., Watanabe D., et al. // J. Phys. Chem. C. 2019. V. 123. P. 14229. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b
  33. Lacey M.J., Jeschull F., Edström K., Brandell D. // J. Phys. Chem. C. 2014. V. 118. № 45. P. 25890. doi: 10.1021/jp508137m
  34. Yoon S. // Int. J. Applied Engineering Research. 2018. V. 13. № 18. Р. 13547.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Additional material
Download (430KB)
Indexing metadata
3. Fig. 1. Isotherms of specific electrical conductivity (a), dynamic viscosity (b), density (c) and corrected electrical conductivity (d) of 1.0 M LiSO₃CF₃ solutions in SL:DOL mixtures. Temperature (±0.1°C) is indicated in the legends. Measurement errors of physicochemical quantities did not exceed 0.5–1.0%.

Download (346KB)
Indexing metadata
4. Fig. 2. Deviations in viscosity and excess molar volume of SL:DOL mixtures (according to [19]) (a) and deviations in viscosity, specific and corrected electrical conductivity of 1.0 M LiSO₃CF₃ solutions in SL:DOL mixtures (b).

Download (159KB)
Indexing metadata
5. Fig. 3. Change in the chemical shift (δ) of ⁷Li and deviation of the chemical shift (Δδ) (a), dependences of the specific electrical conductivity and transport number of the lithium cation (b) in 1.0 M LiSO₃CF₃ solutions in SL:DOL mixtures on the composition.

Download (156KB)
Indexing metadata
6. Fig. 4. Relative diffusion coefficients of lithium cation in 1.0 M LiSO₃CF₃ solutions in SL:DOL mixtures.

Download (215KB)
Indexing metadata
7. Fig. 5. DSC heating and cooling curves of 1.0 M LiSO₃CF₃ solutions in sulfolane–1.3-dioxolane (DOL) mixtures (mol %).

Download (220KB)
Indexing metadata
8. Fig. 6. Discharge and charge dependences of the first cycle (left), change in discharge capacity and Coulomb cycling efficiency (right) of the LSC with 1.0 M LiCF₃SO₃ solutions in sulfolane (SL) and in a mixture of sulfolane (42 mol.%):1.3-dioxolane (58 mol.%) (SL:DOL).

Download (253KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».