[发明专利]一种高电导率、高电压电解液模拟构建分析方法

说明书

本发明属于电解液模拟制备技术领域，具体涉及一种高电导率、高电压电解液模拟构建分析方法，包括分子力场的创建、全原子分子动力学模拟、量子力学计算步骤，本本发明方法将分子动力学模拟和量子力学计算相结合，能够为制备与电极材料匹配性较好的电解液体系提供精准的评价方法，降低研究的经济、人力、物力成本，并提高对电解液体的电化学窗口电压和电导率的预测精度。

技术领域

本发明属于电解液模拟制备技术领域，具体涉及一种高电导率、高电压电解液模拟构建分析方法。

背景技术

有机电解液是连接正负电极的桥梁，在锂离子电容器内部起着传输离子的作用，主要由锂盐、有机溶剂和添加剂组成。目前，锂离子电容器常用的锂盐中，LiPF₆是综合性能最优异、商业电解液中最主要的锂盐，但LiPF₆热稳定性不好，很容易水解，导电性差，不适用于大倍率放电的锂离子电容器。离子液体具有高的热稳定性、低闪点、低挥发性、优良的电子导电性和宽电化学窗口等优点，在锂离子电容器电解液中具有广泛的应用前景。离子液体较高的电化学稳定性使其适用于高压赝电容锂离子电容器，同时其高温稳定性也能够减少锂离子电容器在大倍率放电时电解液的分解。此外，离子液体优异的电子导电性能够大幅度提升锂离子电容器的电子传输速率和功率特性。

目前，多采用人工经验以及直接实验来探索电解液的最佳配方，这直接导致了人力物力投入过大，时间成本较高，配方的选取高度依赖工作人员的经验。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种高电导率、高电压电解液模拟构建分析方法。

具体是通过以下技术方案来实现的：

一种高电导率、高电压电解液模拟构建分析方法，包括如下步骤：

第一步分子力场的创建

有机溶剂、锂盐的GAFF分子力场通过以下参数化过程进行确定，具体如下：

1)使用Gaussian 09程序产生有机溶剂、锂盐的初始构象，然后在Hartree-Fock水平下使用6-31G*优化有机分子的初始构象；

2)对于每个分子，在密度泛函理论(DFT)水平下使用B3LYP/6-31G*进行单点计算，并用限制静电势(RESP)法计算分子内每个原子的初始电荷；

3)从AMBER分子力场中直接获取每个原子类型的范德华参数和成键参数；所述成键参数为键拉伸势能、角弯曲势能、二面角项势能；其中范德华相互作用的计算使用常规的Lennard-Jones势；键拉伸和角弯曲势能项采用简谐函数形式，二面角势能项采用余弦函数形式；

4)对于每种类型的有机分子，使用PACKMOL程序将500个分子随机混合在一个立方体盒子中，然后对每种有机溶剂进行至少100ns的分子动力学模拟，从分子动力学模拟轨迹中随机选择100个不同构型的有机分子；每个构型分别以HF/3-21G*水平优化，以B3LYP/6-31G*水平确定电荷；对100种不同构象的原子电荷取平均，最终确定每个原子的RESP电荷；

5)将各个原子的RESP电荷乘以系数0.85，即得电荷q；

第二步全原子分子动力学模拟

1)将锂盐分别溶解到单一的有机溶剂中，制成锂盐浓度为1.0mol/L的有机电解液；

2)对所有有机电解液体系分别采用分子动力学模拟软件Gromacs-4.6.7对有机电解液进行分子动力学模拟，具体为分别对所有有机电解液体系均采用最陡下降法和共轭梯度法进行10000步能量最小化，然后将系统温度从0K逐渐加热到300K左右，在NPT系综、等温等压条件下进行了200ps的平衡模拟；