Separación de fases soluto-solvente en presencia de campo eléctrico

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2022/23). Director: Dr. D. Enrique Lomba García. Este trabajo se centra en el estudio de modelos de sistemas de almacenamiento de energía basados en condensadores electrolíticos de doble capa (EDLC) por simulación molecular. Estos condensadores están formados por un electrolito (compuesto por un catión, un anión y un disolvente) que se encuentra localizado entre dos electrodos conductores, en este caso de grafeno (actuando uno como cátodo y el otro como ánodo). El trabajo se divide en dos partes principales: en la primera parte utilizaremos un modelo sencillo como el de (Cruz, Lomba, & Ciach, 2022), en el que todos los componentes del electrolito son partículas esféricas y el disolvente es apolar, pero con la diferencia de que realizaremos todas las simulaciones manteniendo constante el potencial entre los electrodos, procedimiento computacionalmente más costoso. Siguiendo a (Cruz, Lomba, & Ciach, 2022), el estudio se realizará a varias temperaturas aproximándose a las condiciones de separación de fases soluto-disolvente, donde se comprobará el aumento de la capacitancia debido a fluctuaciones de concentración. El empleo de simulaciones a potencial constante nos permitirá determinar la capacitancia diferencial, que es la propiedad que habitualmente se determina experimentalmente. En la segunda parte, realizaremos la simulación del sistema utilizando agua (líquido polar) como disolvente y también a potencial constante, manteniendo los demás componentes del electrolito como en (Cruz, Lomba, & Ciach, 2022). Es un estudio preliminar en el que se analizarán los efectos de la solvatación de los iones del electrolito en presencia de un campo eléctrico. Para ello empleamos el modelo de agua conocido como TIP4P/2005, modificando los parámetros de la interacción soluto-disolvente para llevar nuestro electrolito a unas condiciones cercanas al desmezclado (separación de fases). Nuestro modelo aquí también consta de cationes y aniones esféricos para el electrolito, y construyendo los electrodos de grafeno como en la primera parte. La carga del condensador también se lleva a cabo manteniendo el potencial constante en los electrodos. Veremos que el empleo de un disolvente polar modifica sustancialmente los perfiles de densidad de carga y el potencial de Poisson con respecto a nuestro modelo compuesto de partículas totalmente esféricas. En conclusión, este trabajo aborda la representación y simulación de sistemas de almacenamiento de energía basados en condensadores electrolíticos de doble capa, simulándolos a potencial constante y utilizando como disolvente tanto un modelo de un líquido apolar como de un líquido polar. Analizando el efecto de la temperatura, para llevar al sistema a zonas próximas a la separación de fases (desmezclado), se observa que las fluctuaciones de concentración incrementan la capacitancia diferencial del condensador. La adopción de estas metodologías y herramientas matemáticas permite una descripción detallada a nivel microestructural (molecular) del comportamiento de la capacitancia en diferentes condiciones termodinámicas y para distintos disolventes. Los resultados obtenidos pueden contribuir en un futuro al desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía más eficientes y con mayor capacidad de almacenamiento energético, así como a optimizar las condiciones de trabajo de los mismos.

This work focuses on the study of energy storage systems based on double layer electrolytic capacitors (EDLC), modeled through molecular simulation. These capacitors are composed of an electrolyte (consisting of a cation, an anion, and a solvent) located between two electrodes (with one acting as a cathode and the other as an anode), which here will be modeled using graphene monolayers. The work is divided into two main parts: in the first part, we will use a simple symmetrical model proposed in (Cruz, Lomba, & Ciach, 2022), in which all components of the electrolyte are spherical and the solvent is apolar, but here we will perform the simulations at constant potential. In this way we will be able to measure its differential capacitance and observe its behavior when simulating in thermodynamic conditions close to phase separation, which in this case would be demixing of the electrolyte (solute/solvent demixing). We will compare the total capacitance obtained in (Cruz, Lomba, & Ciach, 2022) with the differential capacitance obtained at constant potential to see if it behaves the same within the same temperature range and potential difference. It will be shown that the differential capacity is also enhanced when approaching demixing due to concentration fluctuations. In the second part, we will use a polar solvent for the electrolyte, in our case using the TIP4P/2005 water model, in order to observe the effects of solvation when operating under constant potential between the electrodes. Also we will tune the interaction parameters to bring our electrolyte to conditions close to demixing (phase separation).The effects of solvations will be clearly visible in the charge density profiles and on the Poisson potential, which will be substantially different to those of (Cruz, Lomba, & Ciach, 2022). In conclusion, this work addresses the representation and simulation of energy storage systems based on double layer electrolytic capacitors, simulating them at constant potential and using either an apolar or polar liquid as solvent. We analyze the effect of temperature when bringing the system to regions close to phase separation (demixing) in order to assess its impact on the differential capacitance of the capacitor. The adoption of these methodologies and mathematical tools allows for a more detailed description of the behavior of capacitance at different thermodynamic conditions and using different solvents. The results obtained might well contribute to the development of more efficient and higher capacity energy storage devices as well as to optimize their working conditions.