新型固态聚合物电解质的分子动力学模拟研究

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与传统液态电解质相比,固态聚合物电解质(SPEs)具有安全性高,机械性能好,能量密度高等优良性质,成为未来能源发展的重要趋势和方向。然而在实际应用和商业化过程中,SPEs却面临着聚合物易结晶,室温离子电导率低的问题。为此,开发新型SPEs体系或对SPEs体系中的聚合物进行改性成为主要措施,其中改性方法又包括添加无机填料、共混、接枝、加入离子液体(IL)等。厘清Li+在SPEs体系中的传输位点、扩散性质、存在的微观相互作用等,对开发和改性SPEs体系均具有重要意义,但目前关于SPEs体系在分子水平的研究报道仍然较少。因此,从微观角度对Li+的动力学行为进行分析十分必要。本文采用分子动力学(MD)模拟的方法,向低分子量的聚氧化乙烯(PEO)基SPEs体系引入有机-无机杂化化合物(多面体低聚倍半硅氧烷-离子液体,POSS-IL),构建了一系列对应的SPEs模型。通过SPEs模拟体系中的微观相互作用、抑制聚合物结晶的效果、Li+动力学性质、电导率等性质计算,对POSS-IL的添加及添加方式(共混和接枝)、咪唑鎓阳离子的碳链长度(CnMIM,n=3,4,5,6)、POSS浓度、PEO的接枝数量等因素对体系性能的影响进行了研究和分析。主要研究内容如下:(1)将POSS与低分子量PEO以直接共混的方式结合,构建PEO/PC/PVDF-HFP/POSS-IL/Li TFSI的模拟体系,记作POSS-CnMIM。通过空间分布函数(SDFs)、径向分布函数(RDFs)、均方位移分布函数(MSDs)、自扩散系数(D)、玻璃化转变温度(Tg)及电导率(σ),考察并分析了POSS-IL的共混添加、咪唑鎓阳离子的碳链长度及POSS浓度对体系性能的影响及原因。结果表明,POSS-IL的引入不仅能为Li+提供额外的传输位点,还能有效抑制聚合物结晶,并且当n=3时,POSS-C3MIM对体系具有最好的抑制结晶效果。同时,POSS-C3MIM SPE在318.15K时的电导率比空白体系高一个数量级,达到1.20×10-3S/cm。在POSS浓度对体系综合性能影响的研究中发现,当POSS-C3MIM质量分数为1.55 wt%时,体系具有最高的自扩散系数和最好的抑制聚合物结晶效果,表现出良好的综合性能。(2)将POSS与低分子量PEO以接枝的方式结合,构建PEO/PC/PVDF-HFP/POSS-IL/Li TFSI的模拟体系,记作POSS-PEOm(m=1-7,取整数)。通过计算RDFs、MSDs、D、Tg、σ等相关性质,分析了POSS-IL的接枝添加及接枝低分子量PEO链段的个数等对体系性能的影响。计算结果表明,与共混类似,在接枝体系中,Li+与POSS长链末端氧原子也具有较强的相互作用。当m=3-6时,对抑制聚合物结晶具有较好的效果,体系中的聚合物链段能较快地运动,有利于Li+传输。电导率的计算表明,在298.15K温度下,当m=2和m=6时,Li+的电导率达到10-3S/cm数量级;358.15K温度下,达到10-2S/cm数量级,与常规PEO基SPEs相比,电导率得到了很大的提高。
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