توصيفگر ها :
ابرخازن لايه دوگانهي الكتريكي , نظريهي تابعي چگالي كلاسيكي , مايع يوني , حلال , پارامتر شارژ , ظرفيت ويژه انتگرالي
چكيده فارسي :
هدف اصلي اين پاياننامه بررسي اثر ساختار و مشخصات فيزيكي حلال در ابرخازنهاي لايهي دوگانهي الكتريكي مبتني بر الكتروليت مخلوط مايع يوني-حلال بر مكانيسم شارژ و منحني ظرفيت است. در اين راستا از نظريهي تابعي چگالي كلاسيكي براي محاسبهي توزيع چگالي گونهها در نانوحفرهي كروي بهعنوان يكي از حفرات الكترود متخلخل استفاده شده است. در مدل مورد بررسي كاتيون و آنيون به صورت كرات سخت باردار با اندازههاي متفاوت در نظر گرفته شده، در حالي كه حلال به دو شكل مونومري و ديمري و با اندازه سگمنتهاي برابر مدلسازي شدهاند. حلال مونومري مدل سادهاي از پروپيلن كربنات و حلال ديمري مدلي از استونيتريل ميباشد كه علاوهبر ساختار، از لحاظ چگالي و ثابت ديالكتريك با يك ديگر متفاوت هستند. در اين مطالعه، حلال بهعنوان گونهاي بدون بار مدل سازي شده است كه برهمكنش آن با ديوارهي نانوحفره از نوع وندروالسي در نظر گرفته ميشود. اثر عوامل مختلفي مانند چگالي و درصد مولي حلال، ثابت ديالكتريك مخلوط و ساختار گونههاي حلال، بر پارامتر شارژ و ظرفيت ابرخازن لايهي دوگانه الكتريكي مطالعه شده است. نتايج نشان ميدهد كه حضور حلال مونومري باعث ايجاد ساختار لايهاي درون نانوحفرات الكترود شده و با افزايش درصد مولي حلال جذب بيشتر يونهاي كوچك به درون حفره در پتانسيلهاي اعمالي كم رخ ميدهد. همچنين نتايج نشان ميدهد ثابت ديالكتريك بالاتر موجب انتخابپذيري بهتر در محدوه پتانسيلهاي كوچك ميشود. اين پديده باعث افزايش ظرفيت و بار ذخيرهشده در درون ابرخازن، با افزايش درصد مولي حلال مونومري، با ثابت ديالكتريك بالاتر ميشود. منحني ظرفيت در الكتروليت مخلوط مايع يوني و حلال مونومري به شكل زنگولهاي است. همچنين افزايش حلال مونومري در سامانه موجب رخداد بيشتر مكانيسم جذب يونهاي مخالف به حفره در پتانسيلهاي بالا ميشود كه حاكي از بيشتر شدن سرعت شارژ در پتانسيلهاي بالا است. حضور حلال ديمري سبب كاهش حجم قابلدسترس و اشغال فضاي بيشتري شده كه در نتيجه موجب كاهش جذب گونههاي يوني به درون حفره در پتانسيلهاي كم ميشود. ثابت ديالكتريك پايينتر سامانههاي مخلوط با حلال ديمري به نسبت حلالهاي مونومري، موجب جذب كاتيون و آنيون به طور همزمان ميشود. اين امر موجب كاهش ظرفيت و همچنين بار ذخيرهشده با افزايش درصد مولي حلال ديمري خواهد شد. منحني ظرفيت در الكتروليت مايع يوني در مخلوط با حلال ديمري از نوع زنگولهاي است كه با افزايش درصد مولي به كوهاني تبديل ميشود. حضور حلال ديمري در مخلوط با مايع يوني موجب انجام بيشتر مكانيسم جذب يون مخالف در تمام محدوده پتانسيل شده و اين موضوع ميتواند نشاندهندهي افزايش سرعت شارژ باشد. نتايج بهدست آمده همچنين نشان ميدهد كه سامانههاي حاوي حلال مونومري و ديمري بهترتيب ظرفيت بيشتر و كمتر از مايع يوني خالص نشان ميدهند. همچنين سامانه حاوي حلال مونومري مقادير منفيتر و سامانه حلال ديمري مقادير مثبتتر از بار خالص يوني سامانه مايع يوني خالص خواهد داشت كه بر روي پارامتر شارژ آنها تاثيرگذار ميباشد. نتايج نشان ميدهند كه مكانيسم غالب در مايع يوني خالص در بازهي زيادي از پتانسيل، تبادل يون است كه اين امر با كمتر شدن سرعت شارژ ابرخازن رابطه مستقيمي خواهد داشت. اما حضور حلال به صورت مونومر و ديمر، محدوده مكانيسم تبادل يون را كمتر و مكانيسم جذب يون مخالف را بيشتر كرده و ميتوان گفت حضور حلال موجب افزايش سرعت شارژ در ابرخازن لايهي دوگانه الكتريكي ميشود. در پتانسيلهاي بسيار بالا، جايي كه نيروي الكتروستاتيكي يون-ديواره بر نيروي حلال-ديواره غلبه ميكند و حلال به نسبت خوبي از حفره واجذب ميشود، اثر ثابت ديالكتريك محيط بر روي تغييرات سامانه تأثير ميگذارد. در اين ناحيه حلالهاي مونومري با وجود چگالي كمتر نسبت به حلال ديمري، ظرفيت بيشتري را به علت ثابت ديالكتريك بالاتر اين سامانه ارائه ميدهد. در پتانسيلهاي بالا سرعت شارژ سامانههاي حاوي حلال بسيار بيشتر از سامانهي مايع يوني خالص ميباشد و مكانيسم غالب در آنها جذب يونهاي مخالف ميباشد. اين نكته قابلتوجه است كه سامانهي حاوي حلال ديمري به دليل چگالي بالاتر حلال در آنها، مقادير پارامتر شارژ و سرعت شارژ بيشتري ارائه ميدهند.
چكيده انگليسي :
The main objective of this thesis is to investigate the influence of the solvent’s structure and it’s physical properties on the charging mechanism and capacitance behavior of electric double-layer supercapacitors (EDLCs) based on ionic liquid in solvent. To this end, classical density functional theory (cDFT) is employed to calculate the distribution of species within a spherical nanopore, representing one of the pores of a porous carbon electrode. In the proposed model, the cation and anion are represented as charged hard spheres of unequal sizes while the solvent is modeled in two different forms: a monomeric models and a dimeric models, with same segment diameters. These two solvents differ not only in their molecular structure but also in their density and dielectric constant. In the present study, the solvent is treated as a neutral species whose interaction with the nanopore wall is of the van der Waals type. The effects of various factors including solvent density, molar percentage, dielectric constant of the mixture, and solvent structure on the charge parameter and capacitance of the EDL supercapacitor were investigated. The presence of the monomeric solvent causes the formation of a layered structure inside the electrode nanopores, and with increasing solvent molar percentage, more small ions are adsorbed into the cavity at low applied potentials.
The results also show that a higher dielectric constant leads to better selectivity at lower potential range. This phenomenon increases the capacitance and charge stored inside the supercapacitor by increasing the molar percentage of the monomeric solvent, with higher dielectric constant. The capacitance curve obtained for the electrolyte mixture of the ionic liquid and the monomeric solvent exhibits a bell-shaped curve. Furthermore, an increase in the amount of monomeric solvent enhances the occurrence of the counterion adsorption mechanism at higher potentials, indicating a higher charging rate in this region. In contrast, the presence of the dimeric solvent reduces the accessible pore volume by occupying more space within the pore, which consequently limits the adsorption of ionic species at low applied potentials. The lower dielectric constant of the systems containing dimeric solvents, compared with those containing monomeric solvents, leads to the simultaneous adsorption of cations and anions. As a result, both the capacitance and the amount of charge storage decrease with increasing molar percentage of the dimeric solvent. However, the presence of solvents either in monomeric or dimeric form reduces the dominance range of the ion-exchange mechanism while enhancing the counterion adsorption process. Consequently, the inclusion of solvent molecules increases the overall charging rate of the EDL supercapacitor. At high applied potentials, where the ion–wall electrostatic interaction becomes stronger than the solvent–wall interaction and most solvent molecules are desorbed from the pore, the dielectric constant plays a crucial role in determining the system’s behavior. In this region, systems containing the monomeric solvent, despite their lower density compared with the dimeric solvent, exhibit higher capacitance values due to their higher dielectric constant. Overall, at high potentials, the charging rate of solvent-containing systems is significantly higher than that of the pure ionic liquid, with counterion adsorption being the dominant mechanism. Notably, the system containing the dimeric solvent shows higher charge-parameter values and charging rates, which can be attributed to the greater solvent density within the nanopores.