添加乙腈对离子液体-Ni3(HITP)2超级电容器影响的分子动力学模拟

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超级电容器因其具有功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽等优点在电能储存等领域发挥重要作用。然而制约其发展的因素为较低的能量密度。超级电容器的能量储存主要通过电极/电解质处形成的几纳米厚的双电层来实现,电极与电解质材料的选取对超级电容器的储能性能至关重要。一方面,导电有机金属骨架(Metal-Organic Framework,MOF)因其孔隙率高、结构高度有序、性质易调节等优点,在能源存储等方面呈现出广阔的发展前景。另一方面,作为一种新型绿色电解质,离子液体具有很好的热稳定性、极低的挥发性、不可燃等优点,并且可以承受较高的工作电压,从而能极大地提升超级电容器的能量密度。因此,导电MOF与离子液体的组合有望为超级电容器提供更高的能量密度与功率密度。本文首先给出基于恒电压分子动力学模拟与传输线理论的跨尺度模拟框架,并系统地求出在不同边界条件下传输线模型的理论解,然后通过该理论框架分析了由导电MOF电极和离子液体组成的超级电容器的储能机理与充电特性。结果表明以纯离子液体[Bmim][PF6]作为电解质的超级电容器的电容特性以及阻抗特性均不理想,这是因为体系中阴阳离子之间存在强烈的相互作用,使得给电极施加电压时阴阳离子难以离解,且离子进入电极孔内具有很大的能垒。为提高其性能,本论文考虑向体系中添加有机溶剂乙腈(Acetonitrile,ACN),模拟结果表明ACN的添加使得超级电容器电容性能提高2~3倍,孔内阻抗性能降低4~5倍,这主要得益于ACN会改变离子液体体系中阴阳离子的配位结构,减弱阴阳离子之间的相互作用。伞形采样算法结果表明,ACN可以有效降低离子进入电极孔内的能垒。基于传输线模型的跨尺度分析框架得到的电化学性能曲线与电化学实验测量得到的结果均吻合良好,这也反映出这套跨尺度分析框架的正确性以及模拟计算结果的准确性。
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