离子液体与有机溶剂三元混合体系电导率的研究

摘要

离子液体（ILs）具有导电性高、不易燃、不易挥发，且热稳定性和电化学稳定性好、电化学窗口较宽等特点，是锂电池、超级电容器等电化学工业中良好的电解液。离子液体的电导率是其应用于电解液体系的基础数据，离子液体与有机溶剂混合能降低其黏度并提高导电性能。 本文测定了离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰）亚胺盐（[C4mim][TFSI]）在碳酸丙烯酯（PC）+γ-丁内酯（GBL）和碳酸乙烯酯（EC）+碳酸二甲酯（DMC）混合有机溶剂中的电导率，并研究了不同摩尔比(1∶0,2∶1,1∶1,1∶2,0∶1)的混合溶剂对离子液体[C4mim][TFSI]电导率的影响。研究结果表明，有机溶剂EC和DMC对[C4mim][TFSI]-EC-DMC体系的电导率具有协同效应，且EC与DMC的最佳摩尔比为1∶1，而PC和GBL对[C4mim][TFSI]-PC-GBL体系没有协同作用。利用不同的方程对实验数据进行了拟合，Casteel-Amis方程可以很好地拟合溶液电导率与浓度的关系，而Vogel-Tamman-Fulcher（VTF）方程和Arrhenius方程可以准确的描述温度对电导率的影响。此外，研究了Arrhenius方程中活化能Ea和指前因子A与离子液体浓度的依赖关系，并用经验公式进行了拟合，在此基础上，提出了一个用于关联离子液体多元体系电导率与温度、组成关系的拟Arrhenius方程，其拟合结果与实验数据吻合良好。 利用Materials Studio软件中的COMPASSⅡ力场对纯离子液体[C4mim][TFSI]和三元体系[C4mim][TFSI]-PC-GBL、[C4mim][TFSI]-EC-DMC进行分子动力学（MD）模拟。结果表明，通过Einstein方程计算得到的[C4mim][TFSI]体系中离子的扩散系数随温度的升高几乎线性增长，并且阳离子（[C4mim]+）的自扩散系数要略高于阴离子（[TFSI]-）。在三元体系[C4mim][TFSI]-PC-GBL和[C4mim][TFSI]-EC-DMC中，各粒子的自扩散系数均随离子液体浓度的不断增加而单调减小，且有机溶剂的扩散系数DMC＞GBL＞EC＞PC，这与它们的黏度大小关系相反。通过Nernst–Einstein方程计算得到纯离子液体体系和三元体系的电导率，结果表明模拟计算的电导率为实验测量值的0.5~0.9倍，另外，分子动力学模拟可以很好的重现电导率对组分和温度的依赖性。

目录

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第1章 文献综述

1.1 离子液体概述

1.1.1 离子液体的定义和发展

1.1.2 离子液体的种类和性质

1.1.3 离子液体的应用及现状

1.2 离子液体电导率研究

1.2.1 纯离子液体的电导率研究

1.2.2 离子液体与有机溶剂混合体系的电导率研究

1.3 分子动力学模拟

1.3.1 分子动力学模拟简介

1.3.2 分子动力学模拟在离子液体中的应用

1.3.3 离子液体电导率的分子动力学模拟

1.4 本文的研究目的及内容

第2章 混合有机溶剂对[C4mim][TFSI]电导率的影响

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料及仪器

2.2.2 电导率的测定

2.3 结果与讨论

2.3.1 电导率实验数据

2.3.2 实验结果和文献数据的比较

2.3.3 组成对三元体系电导率的影响

2.3.4 温度对三元体系电导率的影响

2.3.5 拟阿仑尼乌斯（quasi-Arrhenius）方程

2.4 本章小结

第3章 [C4mim][TFSI]+混合有机溶剂体系的分子动力学模拟

3.1 引言

3.2 纯[C4mim][TFSI]的分子动力学模拟

3.2.1 模拟细节

3.2.2 结果与讨论

3.3 三元体系的分子动力学模拟

3.3.1 模拟细节

3.3.2 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢