二维纳米层状材料电极界面结构与双电层储能机理的分子动力学模拟研究

发布时间：2020-04-19 12:41

【摘要】：在当今社会发展中,人类对能源的消耗和需求正在日益增长,如何充分有效的收集、储存并利用太阳能、风能、水力能等一些新能源是至关重要的。电化学储能是诸多储能方式中重要的一种,实现高能量、高功率密度及长工作周期等电化学储能目标的关键挑战之一是确定理想的电极材料,以及寻找与之相适应的电解质材料。选取合适的实验以及理论分析测试技术,对电化学储能体系底层机理进行详细的研究探索,将有助于为高性能储能器件的材料选择和电极设计提供基础的指导。在本研究中,将着重使用分子动力学研究方法,并结合基于密度泛函理论的第一性计算方法和实验测试分析技术,分别构建具有单层平面二维表面的石墨烯和多层层状堆叠结构的MXene超级电容器模拟模型,对平面表面的官能化、动态电解质离子扩散、动态电极运动模式及动态储能机理进行深入系统地模拟和分析。本文中研究工作将按如下顺序展开:首先,电极材料表面特性,如形貌、表面官能团,对其界面双电层及储能特性起着至关重要的作用。在本章中,选取具有二维特征平面表面的石墨烯电极材料作为研究对象,研究了其在表面官能化时界面双电层结构和储能特性的变化。第一性原理计算方法对官能化石墨烯表面结构特征的分析显示,含氧官能团周围会出现局部电荷的再分布,使得石墨烯电极表面会产生强极化从非极性表面转变为极性表面。分子动力学模拟结果显示,官能化石墨烯的表面极性会改变界面双电层结构和电极表面水分子的偶极取向排布,并随后诱导石墨烯电极表面的净电荷再分配和零电荷电势的变化。在羟基官能化电极表面,零电荷电势从0.28 V增加到0.71 V,而在环氧基官能化电极表面零电荷电势会降至-0.41 V。表面官能化带来的表面极性会限制电解质分子的取向排布并削弱电解质分子的迁移率。这种限制的出现会降低双电层界面处电解质的介电常数,并导致官能化电极表面在两种不同修饰官能团时均出现积分比电容下降,且比电容值随着含氧官能团浓度的增加而逐渐下降。其次,在充放电过程中电解质离子的动态特性将直接决定超级电容器器件的功率特性。为了研究在纳米受限环境中双电层电容器的离子动态迁移特性和动态储能机理,本章中选取了具有本征二维层状纳米结构的二维层状电极材料MXene作为研究对象。首先使用基于密度泛函理论的第一性原理计算,确定了新型二维电极材料MXene的局部原子结构和表面电荷分布情况。随后对其进行势函数参数拟合,得到了MXene用于分子动力学模拟的量子化学拟合势函数参数。在此基础上,使用分子动力学模拟方法,构建了MXene电极在离子液体电解质中的超级电容器模拟模型,对其进行了恒流充放电动态模拟。模拟结果表明,在纳米受限环境中,电解质离子在层间距为0.7nm时表现出高于其他层间距(1.0 nm、1.4 nm)及体相~1.3-2倍的扩散特性。这将有利于MXene电极在充放电过程中表现出更好的功率密度特性。此外,我们可以观察到动态充放电循环过程中,电极层间阴阳离子个数、双电层结构、极性分子偶极排布的实时周期性变化情况。最后,充放电过程中电极材料的状态,例如电极的体积的动态变化,是一个重要且不能被忽视的关键因素。电极材料的状态会直接影响到储能器件的稳定性、循环寿命、安全性等重要性能。本章中,我们设计并构建了非固定多片层MXene电极模型,使用分子动力学方法模拟了使用[EMIM]~+[TFSI]~-离子液体电解质时Ti_3C_2T_x MXene电极的动态充放电机理和电荷存储机制,及表面官能团的改变对这些机理和机制的影响。本章中分子动力学模拟重现了实验中观察到的充放电过程中负电极和正电极不同特征的体积变化模式:电极在负电极侧体积膨胀,而在正电极侧收缩。通过追踪电极层间的离子数量和结构重排,我们对在负极层间和正极层间出现的不同电荷存储机制给出了定量的描述。在负电极中,电荷储存主要通过异种电荷离子嵌入过程实现(占比69%-94%,随着表面官能团种类变化而变化),而在正电极层间则是主要通过离子交换(同种电荷离子脱嵌,同时异种电荷离子嵌入)过程实现(占比65%-88%)。这个正负极间不对称的储能机制导致了在充电过程中,负极层间总的离子数增加而在正极层间总的离子数减小。这两种层间离子数的变化模式与实验中观察到的电极动态体积变化趋势能很好的符合。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM53

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