离子溶剂化作用对含离子的液体混合体系热力学与动力学性质影响的新粗粒化理论与模拟研究

We will study ion-containing nanomaterials for electrochemical devices utilized for energy storages, developing theoretical and computational models. These materials have drawn so much attention in the society both inside and outside the country, being utilized in a diverse area of the nanotechnology. With the advent of current computational technology, a vast number of full-atomistic simulations have been performed to deepen our knowledge of both physical and chemical properties of solvated ions, and to explore new materials having novel functionalities. However, many of them currently have limited accessibility to long time scales beyond nanoseconds. In addition, the vastly intensive computation is of a practical issue in explaining numerous, diverse experimental data that come one after another. To overcome these challenges, more generic and economical modeling of ion-containing materials are also highly demanded. Thus, this proposed research aims at developing the coarse-grained theories that consist of a minimal set of model parameters, and fast computational methods on the basis of Monte-Carlo and molecular dynamics simulations. Our results can be used to study any systems associated with ion-containing liquid mixtures that are related to electrochemical energy storages such as fuel cell, lithium-polymer rechargeable battery, and super capacitor.

本项目拟通过发展理论与计算模型，对用于能源存储的电化学器件领域中含离子的纳米材料进行研究。这些材料被应用于纳米技术的多个领域，受到国内外学术界的广泛关注。随着当前计算技术的发展，人们开展了大量的全原子模拟研究以理解溶剂化离子的物理与化学性质，并探索新型功能材料的性质。然而，目前该方法在纳秒以上较长时间尺度体系性质的研究中仍然具有较强的局限性，此外，该方法需要采取大规模的计算，以解释大量的实验数据。为克服这些挑战，发展普适、高效的，适宜于研究含离子材料性质的模拟方法具有重要意义。本项目拟发展含最少模型参数的粗粒化理论以及基于Monte-Carlo和分子动力学模拟的快速计算方法。我们的结果可用以研究与电化学能源存储领域相关的任意含有离子的液体混合体系的性质，例如燃料电池、锂离子-聚合物可充电电池等。

随着当前计算技术的发展，人们开展了大量的全原子模拟研究以理解溶剂化离子的物理及化学性质，并探索新型功能材料的性质。然而，目前该方法在纳秒以上时间尺度体系的研究中仍然具有较强的局限性。此外，该方法需要采取大规模的计算，以解释大量的实验数据。为克服这些挑战，发展普适、高效的，适宜于研究含离子材料性质的模拟方法具有重要意义。本项目力图发展用于考察离子溶剂化作用的粗粒化理论以及快速Monte Carlo和分子动力学模拟方法，针对能源存储材料和电化学器件中离子掺杂液体混合体系的性质进行研究，具体内容包括：（1）发展了新型Monte Carlo模拟算法，明晰了离子溶液介电饱和效应的分子机理。（2）发展了新型分子动力学模拟算法，阐明了离子溶剂化作用对小分子体系、高分子均聚物体系，高分子共混体系以及嵌段共聚物体系相行为的影响规律。（3）发展了新型平均场理论模型，揭示了离子掺杂高分子共混体系、离子掺杂嵌段共聚物体系及高分子/离子液体混合体系结构变化/相行为与静电作用、氢键作用、离子溶剂化作用及离子交联作用的依赖关系。（4）研究了受限于带电板间的离子掺杂液体混合体系、离子液体体系及水分子/离子液体混合体系的热力学性质，明确了其电化学性质与离子溶剂化作用及静电作用的内在关联。本项目的研究结果为相关的实验研究以及能源存储材料（例如，燃料电池、锂离子-聚合物可充电电池、超级电容器等）的制备提供了理论指导。