[發明專利]快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法

在審

• 申請號: 202211147531.4
• 申請日: 2022-09-19
• 公開（公告）號: CN115527620A
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 練成;王思潔;程錦;劉洪來
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/30
• 代理公司: 上海申浩律師事務所 31280
• 代理人: 趙建敏

1.一種快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1，離子液體電解液理論初篩

使用量子密度泛函理論依據下式(1)和(2)進行電化學窗口的計算，得到態密度、電荷密度、差分電荷密度和軌道信息：

其中，

和φ_i分別表示哈密頓算符和波函數；r表示電子坐標；為電子動能；ε_i為粒子能量；V_eff(r)為有效勢，其中V(r_i)為核作用勢；為密度分布；為交換關聯泛函，

S2，估算離子液體的陽極極限和陰極極限

根據上式通過最低的未占據分子軌道LUMO估算每個陰離子或陽離子的陰極極限，通過最高的已占據分子軌道HOMO估算每個陰離子或陽離子的計算陽極極限，

陰極極限電位V_CL和陽極極限電位V_AL分別表示為：

離子液體的陰極極限由兩個離子陰極極限的最大值決定，陽極極限由兩個離子陽極極限的最小值決定：

S3，由陰極極限和陽極極限之間的差值確定離子液體的電化學窗口，兩個離子陰極和陽極極限重疊區域就是該離子液體的電化學窗口。

2.根據權利要求1所述的快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法，其特征在于，還包括S4，根據計算得出的結果對離子液體的穩定性進行評估，應當滿足以下條件：(1)陰離子和陽離子均具有較大的HOMO/LUMO間隙；(2)電化學窗口有明顯的重疊，重疊電位的程度決定了離子液體的最終電化學窗口。

3.根據權利要求1所述的快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法，其特征在于，

其中，步驟2中，通過計算離子液體的組成離子在真空中單獨的電子親和性EA和電離能IE分別預測LUMO和HOMO能級能量ε_LUMO、ε_HOMO，從而計算出陰極極限電位與陽極極限電位。

4.根據權利要求3所述的快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法，其特征在于：

其中，EA對應LUMO能級的能量，IE對應HOMO能級的能量，計算時先通過式(1)計算出一個初始值，再將其設為輸入值代入分子動力學模擬，然后設定分子動力學的模擬參數，根據分子的勢能函數，得到作用在每個原子上的力，給定初速度和演化的步長，利用牛頓運動定律求解運動方程以得到原子在勢能面上的運動軌跡，最后當體系達平衡狀態時得到EA與IE的值。

5.根據權利要求1所述的快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法，其特征在于：

其中，步驟3中，計算陰極極限和陽極極限之間的差值時，利用Gaussion09軟件包中獲得的長程修正雜化的ωB97XD函數，并使用6–311++G**基集對所有分子的幾何結構進行優化，而后在此基礎上計算諧波振動頻率以驗證優化后的幾何結構滿足局部能量最小值。

6.根據權利要求1所述的快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法，其特征在于：

其中，尺寸小的陰離子和陽離子具備較高的化學穩定，

所述尺寸小的陰離子選自BF₄^-、PF₆^-、BCN₄^-、ClO₄^-、CF₃CO₂^-、CF₃CF₂CO₂^-、BOB^-、NTI₂^-、CF₃SO₃^-、Triflate^-、NO₃^-中的任意一種；

尺寸小的陽離子選自Me₃NH⁺、Et₃NH⁺、N2222⁺、N1444⁺、N4444⁺、C4MePyrr⁺、MeNH₃⁺、P1333⁺、P4444⁺、S222⁺、MeMeT134⁺、1-EtMeT134⁺中的任意一種。