锂钠金属阳离子对[EMIM][OTF]离子液体结构与动力学影响的分子动力学模拟研究

本研究通过分子动力学模拟揭示了Li+和Na+对[EMIM][OTF]离子液体结构与动态特性的调控机制，发现金属阳离子与[OTFˉ]的强相互作用导致扩散系数和电导率下降，为设计高性能电解质提供了分子层面的理论依据。

　　

离子液体（ILs）因其独特的低挥发性、高热稳定性和可调控的电化学性能，成为能源存储领域的研究热点。然而，金属盐的引入如何影响离子液体的微观结构和动力学行为，仍是亟待解决的科学问题。印度理工学院卡拉格普尔分校的研究团队通过分子动力学模拟，系统研究了Li⁺和Na⁺对1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐（[EMIM][OTF]）的结构与动态特性的影响，相关成果发表于《Journal of Molecular Liquids》。

技术方法
研究采用GROMACS软件进行全原子分子动力学模拟，力场选用GAFF（通用力场），模拟体系包含不同浓度（χ_Li/χ_Na）的Li[OTF]和Na[OTF]盐。通过径向分布函数分析离子配位结构，结合扩散系数计算和离子对寿命分析揭示动态行为，并与实验密度数据验证力场可靠性。

研究结果

1. 密度与结构
   密度随盐浓度增加而升高，Na⁺体系增幅更显著。Li⁺和Na⁺与[OTF^ˉ]的配位数分别为4和5，强于[EMIM⁺]-[OTF^ˉ]相互作用。

2. 动态特性
   Li⁺-OTF离子对稳定性高于Na⁺-OTF，导致Li⁺扩散系数更低。电导率随盐浓度增加而下降，归因于金属阳离子与阴离子的强耦合作用。

3. 温度效应
   升温削弱离子对稳定性，但金属阳离子的动态仍慢于[EMIM⁺]，凸显尺寸效应外的化学键合主导性。

结论与意义
该研究首次从原子尺度阐明了Li⁺/Na⁺在[EMIM][OTF]中的竞争配位机制，揭示了金属盐浓度与电解质性能的定量关系。结果为设计高电导率离子液体电解质提供了关键参数，如优化配位数（4-5）和离子对稳定性，对开发下一代金属离子电池和超级电容器具有重要指导价值。