离子液体电解液在MXene基电极中储能与传输机制的分子模拟研究.pdfVIP

摘要

随着我国双碳战略的进一步推行和实施，环境保护和可持续发展逐渐成为各行

各业关注的焦点。为了能使太阳能、风能等清洁能源得到进一步的开发和利用，储

能这一环节成为重中之重。而如何进一步提升现有电化学储能装置（EESD）的性能

更是储能领域其中一个亟待攻克的高地。目前对于EESD进行改进的思路通常侧重

于两个方向：选取更为优质的电解液或者改进电极材料的性能。由于离子液体（ILs）

具有较宽的电化学窗口、良好的热稳定性和环境友好性，而被选作电解液在电化学

储能领域广泛应用。而在电极材料制备领域，MXene材料的高电子传导性和可调节

的层状结构，使其具有成为EESD最佳电极材料的潜力。然而，MXene材料的制备

过程中存在一个难以避免的问题：重堆叠。即MXene材料自身会层层堆叠到一起，

使得层间通道发生堵塞甚至被切断，这显然不利于电解液离子的传输。研究人员提

出了多种解决重堆积问题的方法：多种材料复合、大分子嵌入以及打孔等等。这些

方法可以使得MXene基材料的比表面积大幅增加并改善层间通道，从而获得更好的

电化学性能。但是并没有相关报告详细地解析不同材料的特殊结构对其储能效果以

及电解液离子传输机制的影响。

因此本文选择使用分子动力学模拟的方法，更为直观的从分子尺度对离子液体

电解液在MXene/Graphene复合材料电极中的储能机制以及其在多孔MXene材料电

极中的传输机制进行研究，具体开展的研究工作如下：

（1）离子液体电解液在MXene/Graphene复合材料电极中的储能机制研究：构

建MXene材料组、MXene/Graphene复合材料组以及对照组三组分子动力学模拟模

型。通过对充电前后系统能量变化的分析，发现MXene/Graphene复合材料作为EESD

的负极时拥有比MXene材料高出约50%的能量变化量，且此部分能量的提升来源

于咪唑类阳离子。针对离子分布和离子构型变化的分析进一步揭示：咪唑类阳离子

在MXene材料表面呈“V”构型（垂直于电极）分布，在Graphene材料表面呈“P”

构型（平行于电极）分布，而后者更有利于系统的能量储存。不同电解液组合的对

照实验证明了离子构型分布差异不会受到咪唑阳离子自身以及阴离子空间结构变化

的影响。

（2）多孔MXene材料电极中孔状结构对电解液离子传输机制的影响：构建孔

状结构直径分别为2nm、4nm和6nm的多孔MXene材料分子动力学模拟模型。通

过对充放电循环中进出电极层间的电解液离子进行定位和追踪，得到了两条离子传

输路径：“Through-Side”（穿过层间侧面）和“Through-Pore”（穿过孔）。不同

传输路径的离子通量统计表明孔在充电（放电）阶段主要作为同离子离开（进入）

电极层间的“通道”。这种离子传输机制是由于充电过程中同离子和反离子的传输

路径存在重叠，同离子在竞争失败的情况下选择孔作为“通道”离开电极层间区域

（该竞争关系也存在于放电过程）。除了“通道”作用以外，孔也可以起到“容器”

的作用。由于自身具备一定的离子储存能力，孔可以在充放电过程中调节电极层间

的电解液离子数量。此外，系统的能量分析表明，孔状结构的直径与系统的储能效

果并没有相关性。

关键词：MXene/Graphene复合材料；多孔MXene材料；离子液体；双

电层；分子动力学模拟

Abstract

WiththefurtherpromotionandimplementationofChinasdoublecarbonstrategy,

environmentalprotectionandsustainabledevelopmenthavegraduallybecomethefocusof

attentioninallwalksoflife.Inordertoenablethefurtherdevelopmentandutilizationof

cleanenergysuchassolarenergyandwindenergy,energystoragehasbecomeatoppriority.

Howtofurtherimprovetheperforman