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基于介觀尺度的PFSA-Li膜中鋰離子擴散行為研究

發布時間:2020-12-15 05:47
  從介觀角度研究了鋰離子在有機電解液鋰空氣電池隔膜中的傳質特性。采用耗散粒子動力學DPD模擬方法,使用分子模擬軟件Materials Studio構建了全氟磺酸鋰(PFSA-Li)離子交換膜、有機溶劑乙二醇二甲醚(DME)與六氟磷酸鋰(LiPF6)的粗粒化模型。分析了PFSA-Li膜中鋰離子通道的三維拓撲結構,研究了溫度、有機液體含量和鋰鹽濃度對PFSA-Li膜中鋰離子擴散行為的影響。當PFSA-Li膜內有機液體含量達到一定程度時,離子團簇相互連接,最終形成貫穿膜的連續海綿狀通道;升高溫度、增加有機液體含量有利于鋰離子在PFSA-Li膜中的擴散;當鋰鹽濃度為1mol/L時,鋰離子擴散效果最佳。研究成果為有機電解液鋰空氣電池性能的提升提供了重要依據。 

【文章來源】:化工新型材料. 2020年10期 北大核心

【文章頁數】:6 頁

【部分圖文】:

基于介觀尺度的PFSA-Li膜中鋰離子擴散行為研究


PFSA-Li粗粒化結構

過程圖,過程,系統整體,平衡狀態


圖2為馳豫過程中的溫度和能量隨時間的變化曲線。由圖可見,馳豫過程開始時,溫度和能量急劇下降,經過一段時間后,溫度在設定值上下浮動,能量逐漸減小且最終趨于穩定狀態,說明此時系統整體處于平衡狀態。只有當系統整體處于平衡狀態時,才可以對數據進行采集。2.3 擴散系數計算

拓撲結構圖,離子通道,離子,磺酸


圖3為PFSA-Li膜中鋰離子通道的三維拓撲結構示意圖,其中黑色部分為通道的外表面,灰色部分為通道的內表面。當PFSA-Li膜內不包含有機液體時(λ=0),磺酸基團均勻的分布在碳氟主鏈區域中。當λ較低時,有機液體與磺酸基團在PFSA-Li膜中會形成相互隔離的離子團簇,鑲嵌在碳氟主鏈之中。隨著膜中有機液體含量的增加,相鄰的離子團簇便會相互連通,最終形成貫穿膜的連續海綿狀通道。鋰離子便會通過海綿狀通道籍由離子團簇在膜中進行傳遞,通道越大,鋰離子的擴散速率越快。圖4為溫度為298K,有機液體含量λ=9,鋰鹽濃度1mol/L時,鋰離子在PFSA-Li聚合物電解質膜中的徑向分布函數曲線圖。從圖中可以看出,徑向分布函數在0.74nm處達到最高峰,最終趨于1,說明磺酸基周圍配位的鋰離子大部分分布在距磺酸基0.74nm處,即在該范圍內,易聚集在一起形成團簇。

【參考文獻】:
期刊論文
[1]耗散粒子動力學在高分子領域中的應用[J]. 潘恒,張洋,周茗萱,管蓉.  膠體與聚合物. 2016(01)
[2]基于有機電解液的鋰空氣電池研究進展[J]. 蔣頡,劉曉飛,趙世勇,何平,周豪慎.  化學學報. 2014(04)
[3]DPD方法在軟物質模擬領域的研究及應用進展[J]. 沙華,孫玲,劉東雷.  材料導報. 2014(05)
[4]耗散粒子動力學的發展與應用簡述[J]. 吳立明,張國慶,劉漢濤.  科技信息. 2012(09)
[5]耗散粒子動力學及其應用的新進展[J]. 唐元暉,何彥東,王曉琳.  高分子通報. 2012(01)
[6]全氟磺酸離子膜的結構與應用研究進展[J]. 郎萬中,許振良.  膜科學與技術. 2005(06)

博士論文
[1]鋰離子電池用聚合物電解質應用基礎研究[D]. 王占良.天津大學 2003

碩士論文
[1]導鋰聚合物電解質膜的制備及應用[D]. 麻微.上海交通大學 2012



本文編號:2917761

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