论文总字数：20225字

摘 要

由于锂资源的分布不均以及资源短缺，钾离子电池开始不断地走进人们的视野。钾在地壳中储量丰富，与钠和锂具有相似的电化学性质，有望替代锂离子电池。其中研究电解液有很大的作用。使用宽电化学窗口的电解液能大幅提高电池电池容量，循环性能。利用高斯软件搭建的模型可以很好解决科研过程中原材料浪费的问题。其中，脂类、醚类有机电解液普遍应用于锂离子、钠离子电解液。与K 相互作用使得电解液还原稳定性降低。此次的研究主要是选择合适的电解液，研究电解液的物化性质。

从节省材料以及操作方便的方向上考虑，本文中采取建模、计算的方式对已知钾离子电解液有机溶剂利用密度泛函理论在3-21G与6-31G的机组上利用B3LYP应用GaussView进行建模导入Gaussian进行计算，得到碳酸脂类，醚类等不同类型的有机溶剂球棍模型与嵌入K 后的离子-溶剂配合物球棍模型，并进行优化。密度泛函理论的计算可以用来筛选还原电位较低的电解液溶剂。画出原溶剂与离子溶剂络合物的HOMO、LOMO能级，分析离子-溶剂络合物的LUMO（最低未占据分子轨道）与DLOMO。表明此类可促进阳极上金属的分解。离子-酯络合物比离子-醚络合物的结合能更大，但更为复杂。

关键词：钾离子电池 电解液 离子溶剂络合物 占用轨道能级

Physical and chemical properties of components of potassium ion electrolyte

Abstract

Due to the uneven distribution of lithium resources and the shortage of resources, potassium ion battery has been coming into people's field of vision.Potassium, which is abundant in the earth's crust and has similar electrochemical properties to sodium and lithium, is expected to replace lithium-ion batteries.It is very important to study electrolyte.The electrolyte with a wide electrochemical window can greatly improve the battery capacity and cycling performance.The model built by gauss software can solve the problem of waste of raw materials in the process of scientific research.Among them, lipids and ether organic electrolytes are widely used in lithium ion and sodium ion electrolytes.The interaction with K reduces the reduction stability of the electrolyte.The physical and chemical properties of the electrolyte were studied by selecting a suitable electrolyte.

From the consideration on the save material and convenient operation direction, this article adopt the method of modeling, calculation of known potassium ion electrolyte organic solvents by using density functional theory in 3-21 g and 6-31 g unit application GaussView is modeled by using B3LYP import Gaussian calculation, get the carbonic acid lipid, different types of organic solvents such as ethers stick model with embedded after K ion - solvent complexes stick model, and optimize it.The calculation of density functional theory can be used to screen the solvent of electrolyte with low reduction potential.The HOMO and LOMO levels of the original solvent and the ionic solvent complex were drawn, and the LUMO (the lowest unoccupied molecular orbital) and DLOMO of the ion-solvent complex were analyzed.It is shown that this kind can promote the decomposition of the metal on the anode.The binding energy of ion-ester complex is larger than that of ion-ether complex, but it is more complex.

Keywords: potassium ion battery, electrolyte, ionic solvent complex, occupied orbital level

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2锂离子电池 2

1.3钠离子电池 4

1.4钾离子电池 5

1.5钾离子电解液有机溶剂 6

1.6存在的问题 7

1.7研究的意义方法 8

第二章 理论基础 10

2.1量子化学理论基础 10

2.2密度泛函理论 11

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理 11

2.2.2 Kohn-Sham方程 11

2.3量子化学高斯软件 11

2.4离子-溶剂络合物 12

第三章 碳酸脂类与醚类有机溶剂分子模型及优化 13

3.1 引言 13

3.2理论方法 14

3.3结果与讨论 15

第四章 总结与展望 19

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1引言

人类社会的经济水平伴随着社会不断向上发展而不断地提高，煤、石油、天然气等这类化石能源的使用造成的环境问题越来越严重。也造成了能源的快速消耗，人们急需发现新能源来遏制这类问题。近年来人们开始不断发展风能、太阳能、潮汐能等可再生能源，但如果将这些清洁能源所产生的电能直接输入到电网, 会对电网产生很大的冲击。这时就有人提出利用电池来进行储能，说到电池，就得追溯到1800年，意大利人伏打（Volt）发明了人类历史上的第一个电源，被称为伏打电堆。在此之后的两个世纪，电池的发展开始有了一定的进步，1836年的丹尼尔电池、1839年的空气电池、1859年的铅酸电池在1882年开始广泛应用，来到1868年，Leclance发明的锌-锰干电池一直沿用到了现在。1883年氧化银电池的出现、1899年镍-镉电池的诞生、1901年的镍-铁电池的问世。当然，电池的研究在第二次世界大战期间有停滞过一段时间，但在此之后，基础的理论取得突破，电池的研究取得了质的飞跃，电池的发展从此走上了快车道，各种电池层出不穷。例如1917年的锌-空气电池、碱性锌-锰电池、1951年的镍-镉电池密闭化、1958年Harris提出的有机电解液锂一次电池、1962年的锂-硫电池。目前电池的应用范围非常广泛，主要应用于消费电子产品，还有一些场所的应急备用电源例如医院、宾馆、超市等地方。以及应用于轮船、电动汽车等的动力电池。近年的电池研究越来越多，从二十世纪九十年代开始，二次电池开始进入人们视野。由于资源的匮乏和人类对于资源的不珍惜导致制造电池的原材料被过度消耗；之前被研究出来的电池中铅、镉等有毒金属对环境的污染，干电池的污染物如二氧化锰粉末、HgO、沥青烟等。在其中汞是最引人注目的剧毒金属，极其少量的汞吸入人体将会产生巨大伤害；铅酸电池污染物主要是铅、二氧化铅粉尘以及废酸等，其中铅会使人体出现一些神经学缺陷的症状；镍镉电池中镉会取代骨骼中的钙导致骨骼软化，疼痛难忍。各种迹象说明二次电池开始研究是有必要的。首先是锂二次电池，锂金属的质量轻，缩小了电池的体积；锂的能量高，本身的锂一次电池的容量就很高，作出的二次电池就有很大的竞争力。但锂金属表面不

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