离子液体与有机溶剂三元混合体系电导率的研究

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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。我们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,我们研究了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,我们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0.50.9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。
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