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浓度对储能体系{NaBF4的结构、传输及介电性能影响研究4– 二甲基亚砜在钠离子电池技术中的应用：分子动力学方法与密度泛函理论研究
向可持续动力转型突显了开展电解储能体系的必要性。钠离子电池（SIBs）正逐渐成为锂离子电池的有力代替计划，其具有自然资源丰富、本钱较低及优良低温功能等优势，特别合适大规模储能使用。在此背景下，咱们选用分子动力学（MD）和密度泛函理论（DFT）两种数值模仿办法，研讨了{NaBF4-二甲基亚砜}储能体系的热力学、结构、动力学及介电特性。详细而言，咱们使用GROMOS力场在规范温压条件下对0.10至0.85 M不同浓度体系进行了分子动力学模仿。密度泛函理论（DFT）核算选用B3LYP泛函结合def2-TZVP和6–311++G(d,p)基组进行，并运用CPCM模型考虑隐式溶剂化效应。最终，咱们的分子动力学（MD）和DFT研讨结果证实了Na的配位环境+由3个DMSO分子与1个BF₄阴离子构成−此外，离子传输行为及介电响应均表现出明显的盐浓度依赖性。详细而言，浓度升高会导致离子扩散系数下降，一起电解液介电常数出现渐进式drop。这些重要发现为优化根据钠离子可充电电池技能的新式电解质体系供应了理论基础。
图文摘要
当时，可再生动力为减少化石动力与核能的使用供应了代替计划，从而助力缓解全球气候改变。但是，虽然这些动力可自在获取，但其供应具有间歇性——受天气条件、昼夜更替或季节改变等要素影响而产生的动摇，可能对智能电网的安全性和灵活性构成应战[1]。储能体系（ESS）经过完成高效能量存储为此问题供应了解决计划，该体系规划需统筹分量（比能量）与体积（能量密度）等要害参数[2]。这使得它们成为多功能体系，既适用于电子使用，也可用于可再生动力的静态存储。跟着锂在该领域的兴起，新技能正朝着钠离子电池（SIBs）方向开展，这类电池因资料丰度、优异的电化学功能以及更低的环境影响而展现出优势[3]。作为离子交换介质，电解质经过直接影响其功能与安全性，在SIBs中发挥着要害作用。与锂离子电池（LIBs）不同——后者作为成熟技能已具备根本公认的规范电解质{1 M LiPF6在EC/DMC混合溶剂体系中，钠离子电池(SIBs)的电解质选择尚未彻底规范化[4]。根据此背景，本研讨聚焦于一种由钠盐NaBF₄溶解于有机溶剂二甲亚砜(DMSO)构成的非水电解质体系。该体系的选择根据两层考量：其一，NaBF₄盐具有优异的离子传导能力，其热稳定性在钠盐中仅次于NaClO₄而被列为第二，这有助于构建阻燃电解质体系——这对开发高安全性电池至关重要[5]。其二，DMSO因其在合成化学、分析化学、物理化学以及精细化工和生物学领域的广泛使用而备受关注[6]。这些使用反映了其独特的物理化学性质，例如高达47.8的介电常数和仅为1.75×10⁻³ Pa·s的低粘度特性。−2在30°C温度下的cP值[7]。先前已有大量研讨对NaBF4电解质在各种有机溶剂中的功能进行了考察，这些溶剂包含碳酸酯类如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）和碳酸甲乙酯（EMC）[8]，以及二甲氧基甲烷（DME），其研讨目的首要是为了制备不可燃电解质[9]。4为创建不可燃电解质体系，研讨者特别关注了NaBF4在二甲氧基甲烷（DME）及多种碳酸酯溶剂（如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）和碳酸甲乙酯（EMC））中的电解行为[8,9]。
NaBF₄盐溶于DMSO后表现出优异的离子电导率和良好的溶剂化特性，可明显提升电池中的离子迁移率[3]。{NaBF₄-DMSO}体系的研讨最初选用红外光谱与化学量子核算相结合的办法[10]。但是虽然该体系潜力明显，但据咱们所知，现在尚未有选用分子动力学模仿进行的研讨，这使得咱们的工作对阐明其溶剂化及传输特性具有重要价值。经过对该体系的研讨，咱们旨在经过强调电解液的要害作用，推动钠基电池技能的持续开展。为此，咱们选用了结合分子动力学模仿与DFT核算的理论研讨办法。密度泛函理论（DFT）在钠离子电池研讨中被广泛用于分析电解液的电子与结构特性。DFT还能经过供应钠等金属离子溶剂化结构的全面数据，完成对液态电解液的表征研讨。+并猜测团簇稳定性，运用团簇-连续介质模型办法[10], [11]。
分子动力学（MD）模仿是研讨钠离子电池电解液的 indispensable 工具，因其能供应原子尺度相互作用的深化描绘，该技能已广泛使用于离子液体化学领域[12]。MD 尤其擅长捕捉复杂结构改变，例如在不同温度和浓度条件下触摸离子对及聚集体的形成过程[13][14]。
本研讨旨在经过分子动力学和DFT核算，探究盐浓度对{NaBF4-DMSO}储能体系结构、动力学及介电特性的影响。该研讨具有重要意义，由于电解液中离子的迁移率与盐浓度直接相关，从而影响钠离子电池的功能[3]。