Misturas de líquidos iônicos como eletrólito para dispositivos de armazenamento de energia

Abstract

Líquidos Iônicos (LI), sais fundidos a baixa temperatura, apresentam propriedades interessantes (condutividade iônica intrínseca, estabilidade eletroquímica e viscosidade baixa), para utilização como eletrólitos em capacitores de dupla camada elétrica (CDCE). Neste trabalho realizou-se simulações de dinâmica molecular do cátion 1-etil-3-metil-imidazólio (EMIM+) e dos ânions [bis(trifluorometano)sulfonil]imideto (NTf2-) e tetrafluorborato (BF4-), afim de se conhecer propriedades físico-químicas e estrutural, dos LI puros EMIM-NTf2 e EMIM-BF4 e das misturas contendo diferentes frações molares de EMIM-BF4. Na literatura encontramos dados experimentais para os LI puros, porém isso não ocorre para as misturas. Valores de viscosidade, condutividade iônica e coeficiente de difusão calculados estão em bom acordo com os dados experimentais. As simulações utilizaram do modelo de potencial constante, que permite as cargas dos átomos do eletrodo variar e com o qual foi possível avaliar a dinâmica de carregamento dos eletrodos e o mecanismo de carregamento. Os resultados obtidos na simulação de eletrodo plano demonstram que as densidades de energia experimental e calculadas são concordantes, isto é, o aumento da fração molar do ânion BF4- aumenta a densidade de energia armazenado no supercapacitor. Este comportamento também acontece nos eletrodos porosos. Além disso, o tempo de carregamento diminui com o aumento da fração molar de BF4-, estando de acordo com o aumento da condutividade iônica que também aumenta com o aumento da fração molar de BF4-.

Ionic Liquids (IL), fused salts at low temperature, have interesting properties (intrinsic ionic conductivity, electrochemical stability and low viscosity), for use as electrolytes in double layer electric capacitors. In this work we performed simulations of molecular dynamics of cation 1-ethyl-3-methyl-imidazolium (EMIM+) and anions [bis(trifluoromethane)sulfonyl]imidete (NTf2-) and tetrafluoroborate (BF4-), in order to know physicochemical and structural properties, of the pure LI EMIM-NTf2 and EMIM-BF4 and mixtures containing different molar fractions of EMIM-BF4. In the literature, we found experimental results for pure LI, but this does not occur for mixtures. Values of viscosity, ionic conductivity and diffusion coefficient calculated are in good agreement with the experimental data. The simulations used the constant potential model, which allows the electrode atom loads to vary and with which it was possible to evaluate the electrode loading dynamics and the loading mechanism. The results obtained in the simulation of flat electrode show that the experimental and calculated energy densities are concordant, that is, the increase of the molar fraction of the BF4- anion increases the energy density stored in the supercapacitor. This behavior also happens in pore electrodes. In addition, the loading time decreases with the increase of the molar fraction of BF4-, being in accordance with the increase of ionic conductivity that also increases with the increase of the molar fraction of BF4-.