The importance of ion size and electrode curvature on electrical double layers in ionic liquids

离子液体 电容 离子 电极 电解质 六氟磷酸盐 超级电容器 化学 分子动力学 曲率 材料科学 化学物理 计算化学 物理化学 有机化学 几何学 数学 催化作用
作者
Guang Feng,Rui Qiao,Jingsong Huang,Sheng Dai,Bobby G. Sumpter,Vincent Meunier
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (3): 1152-1161 被引量:203
标识
DOI:10.1039/c0cp02077j
摘要

Room-temperature ionic liquids (ILs) are an emerging class of electrolytes for supercapacitors. We investigate the effects of ion size and electrode curvature on the electrical double layers (EDLs) in two ILs 1-butyl-3-methylimidazolium chloride [BMIM][Cl] and 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate [BMIM][PF(6)], using a combination of molecular dynamics (MD) and quantum density functional theory (DFT) simulations. The sizes of the counter-ion and co-ion affect the ion distribution and orientational structure of EDLs. The EDL capacitances near both planar and cylindrical electrodes were found to follow the order: [BMIM][Cl] (near the positive electrode) > [BMIM][PF(6)] (near the positive electrode) ≈ [BMIM][Cl] (near the negative electrode) ≈ [BMIM][PF(6)] (near the negative electrode). The EDL capacitance was also found to increase as the electrode curvature increases. These capacitance data can be fit to the Helmholtz model and the recently proposed exohedral electrical double-cylinder capacitor (xEDCC) model when the EDL thickness is properly parameterized, even though key features of the EDLs in ILs are not accounted for in these models. To remedy the shortcomings of existing models, we propose a "Multiple Ion Layers with Overscreening" (MILO) model for the EDLs in ILs that takes into account two critical features of such EDLs, i.e., alternating layering of counter-ions and co-ions and charge overscreening. The capacitance computed from the MILO model agrees well with the MD prediction. Although some input parameters of the MILO model must be obtained from MD simulations, the MILO model may provide a new framework for understanding many important aspects of EDLs in ILs (e.g., the variation of EDL capacitance with the electrode potential) that are difficult to interpret using classical EDL models and experiments.
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