Computer modeling of ionic liquid properties and behavior at the molecular and interfacial levels

Abstract

Enamik tuttavaid vedelikke koosneb neutraalsetest molekulidest. Ioonsed vedelikud on seevastu soolad, mis koosnevad ainult positiivselt ja negatiivselt laetud ioonidest ning võivad püsida vedelana toatemperatuuri lähedal. Ühe või teise iooni vahetamisel saab luua tohutul hulgal võimalikke vedelikke, mille omadusi saab kohandada kindla otstarbe jaoks. Kuna ioonsed vedelikud peaaegu ei aurustu ning võivad püsida stabiilsena kõrgetel temperatuuridel ja pingetel, on neil suur potentsiaal kasutamiseks akudes, superkondensaatorites, andurites, keskkonnasõbralikemates keemilistes protsessides ja pehmetes elektroaktiivsetes täiturites. Selline paindlikkus tekitab aga praktilise probleemi: iga võimaliku ioonide kombinatsiooni katsetamine laboris oleks aeglane ja kulukas. Käesolevas doktoritöös töötati välja arvutuslikud töövood, mille abil saab ioonseid vedelikke virtuaalselt sõeluda. Kvantkeemiliste arvutustega kirjeldati, kui tugevalt ioonid vastastikku mõjuvad ja kui kergesti need võivad laguneda. Molekulaardünaamika simulatsioonides jälgiti paljude ioonide kollektiivset liikumist vedelikus ning nende korrastumist laetud elektroodide lähedal. Masinõppe mudelid aitasid laiendada ennustusi suuremale hulgale kandidaatidele. Üheskoos võimaldasid need meetodid hinnata sulamistemperatuure, elektroaktiivsete täiturite deformatsiooni, elektrokeemilist stabiilsust ja piirpinna ioonikihtide muutusi. Korrigeeritud tihedusfunktsionaal võimaldas saavutada hea täpsuse märksa väiksema arvutuskuluga kui nõudlikud võrdlusarvutused. Uus simulatsiooni töövoog ennustas madala toksilisusega ja biolagunevate koliinipõhiste ioonsete vedelike sulamistemperatuure ilma nende kristallstruktuuride abita. Piirpinna analüüs näitas, et tavapärastel töötingimustel kipuvad elektroodi lähedal olevad ioonid pigem elektroodi laengut ülekompenseerima kui tihedalt kuhjuma. Lõpuks andis elektrokeemilise stabiilsuse ja ioonide liikumise lihtsuse ühendamine praktilise kaardi paljutõotavate elektrolüütide leidmiseks. Need tööriistad võivad vähendada vajalike laborikatsete arvu ning aidata kavandada ohutumaid ja kestlikumaid materjale erinevate rakenduste, muuhulgas energiatehnoloogiad, täiturid ja sensorid, jaoks.

Most familiar liquids are made of neutral molecules. Ionic liquids, by contrast, are salts composed entirely of positively and negatively charged ions that can stay liquid near room temperature. Changing either ion creates an enormous range of possible liquids whose properties can be tuned for a specific task. Because they barely evaporate and can remain stable at high temperatures and voltages, ionic liquids are promising for batteries, supercapacitors, sensors, greener chemical processes and soft actuators. This flexibility also creates a practical problem: testing every possible ion combination in the laboratory would be slow and expensive. This thesis developed computational workflows that serve as virtual screening tools for ionic liquids. Quantum chemical calculations were used to describe how strongly ions interact and how readily they may decompose. Molecular dynamics simulations followed the collective motion of many ions in the liquid and their organization next to charged electrodes. Machine learning models helped extend predictions to larger sets of candidates. Together, these methods estimated melting points, actuator deformation, electrochemical stability and changes in interfacial ion layers. A corrected density functional achieved good accuracy at substantially lower computational cost than demanding reference calculations. A new simulation workflow predicted the melting points of low-toxicity, biodegradable choline-based ionic liquids without requiring their crystal structures. The interfacial analysis showed that, under normal operating conditions, ions near an electrode are more likely to overscreen than to crowd. Finally, combining electrochemical stability with ease of ion motion produced a practical map for identifying promising electrolytes. These tools can reduce the number of laboratory experiments needed and guide the design of safer, more sustainable materials for energy and sensing technologies.