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李丹丹在《Journal of Physical Chemistry C》上发表文章

发布日期:2020-08-04

如今,化石能源日渐紧张,环境污染严重,迫使世界各国努力寻找可持续发展的新能源和开发与新能源利用配套的先进储能技术。电能存储在可再生能源和清洁能源利用中的地位不可或缺,电池与电容器是其中的两大主要器件。超级电容器依靠物理吸附存储电能,具有电池不可替代的超高功率密度、极长循环寿命等优点,成为能量存储器件领域的一颗新星。不仅在学术界获得极大的关注,在产业界也开始崭露头角,不局限于新能源利用,在国防军工、航空航天、智能电网、电子信息、工业生产、交通运输等领域也具有十分广阔的应用前景。但受限于低能量密度,根据能量密度公式E =1/2 C V2,增加工作电压窗口可有效提高能量密度,在超级电容器的三种电解液中,离子液体具有较宽的电压窗口,因而被广泛用作超级电容器的电解液超级电容器的系统性能取决于双电层的微观结构和电容,然而,目前双电层的研究主要针对单离子液体和极少双阳离子液体电解液,研究发现多阳离子液体具有较高的电压窗口和电容性能,线性三阳离子液体作为一类新兴的多阳离子液体,具有较宽的液态温度范围,还未用于超级电容器的研究。

基于上述问题,华北电力大学工程热物理研究中心李丹丹同学作为第一作者,杨燕茹老师作为第二作者,王晓东教授和华中科技大学冯光教授作为通讯作者,在物理化学国际期刊Journal of Physical Chemistry C上发表线性三阳离子液体石墨电极超级电容器研究的论文,论文题目为“Electrical Double Layer of Linear Tricationic Ionic Liquids at Graphite Electrode”。

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【论文概述】

论文利用分子动力学模拟首次研究了三种线性三阳离子液体作电解液,以平面石墨烯作电极的超级电容器的双电层结构和电容性能,并与相同阴离子的单阳离子液体电解液进行对比研究。首先对三阳离子液体所用力场进行验证,其密度与之前研究结果相符,而后,为分析双电层的微观结构,研究了阴阳离子在不同电极电荷密度使得数密度分布和方向排列,最后,得到了由双电层结构决定的电容-电势曲线,并进一步比较了四种离子液体的能量密度。

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(图为超级电容器模型图)

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(图为离子在电极附近数密度分布图)

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(图为阳离子在电极附近方向分布图)

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(图为电容和能量密度图)


论文得出以下结论:(1在电极与电解液界面,离子数密度的分布取决于离子大小和离子与电极的相互作用,三阳离子液体双电层的结构明显异于单阳离子液体,在中性和带电电极附近有更高浓度的阴离子聚集以中和阳离子电荷使电极呈电中性2阳离子链平行于电极排列;侧链咪唑环随电极负性增加由倾斜重新调整为平行排列,且单阳离子较三阳离子更加平行;三阳离子特殊的结构,其中心咪唑环较侧链咪唑环更平行于电极。3双电层的结构决定了其电容,对电容-电势曲线的研究表明,曲线形状由单阳离子液体的钟型转变为三阳离子液体的骆驼型,体现了不同的储能机理4)电容和电势决定了能量密度研究,在较大电极电势处,三阳离子的能量密度高于单阳离子液体,证实三阳离子液体是一种可发展的超级电容器电解液。

论文得到了国家自然科学基金重点项目(No. 51936004)、国家杰出青年科学基金(51525602)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51821004)、中央高校基础研究经费(No. 2017ZZD006)资助。


撰稿人:李丹丹