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理論計算於鋰離子電池電解液與電解液添加劑的氧化還原反應

為了解決ahc面膜的問題，作者王成祐 這樣論述：

隨著時代的進步，人們越來越關注能源安全，並且極力發展低碳“乾淨”的能源。其中鋰離子電池因擁有良好的電化學特性而受到廣泛的研究。為了徹底了解鋰離子電池中的運作機制，我們結合模擬計算以及實驗來發展高性能的鋰離子電池。在這篇研究中，我們利用量子化學進行計算，進一步了解鋰離子電池中的運作機制，尤其著重於電解質成分中的氧化還原反應。在電解液添加劑的部分，我們選擇亞硫酸乙烯（ES）作為電解質添加劑，使用高精準度的密度泛函理論研究其在真空與溶劑中一個和兩個電子還原分解的過程ES (ES)Li+(PC)n (n=0-2)。在研究中發現，ES經由反應後會變為開環的自由基，並且能穩定的存在於鋰離子中。藉由了解E

S, (ES)Li+(PC) 與(ES)Li+(PC)2的還原分解反應，可以瞭解保護固體電解質SEI膜是由Li2SO3, (CH2OSO2Li)2, CH3CH(OSO2Li)CH2OCO2Li所構成。此外，我們還藉由密度泛函理論計算來研究1,3-Propane Sultone (PS) and (PS)Li+(PC)n (n=0-1)的還原分解反應。在氣相中，PS是還原分解熱力學上是不利的。然而PS在大部分溶劑中可能會進行一個以及兩電子的還原反應。PS的溶劑會先一步轉化為PC，而得到穩定的中間體，然後後進行分解，得到一個更穩定的初級自由基（Li2SO3，（CH-CH 2-CH 2-OSO2L

i 2）。在最後的產物中，Li2SO3, (CH-CH2-CH2-OSO2Li)2, and Li-C carbides) and (PC-Li(O2S)O(CH2)3)2會形成一個有效的固體電解質SEI膜。為了進一步分析在陰極部分的表面膜的形成機制，我們藉由密度泛函理論深入研究碳酸亞丙酯中在鋰鹽(LiClO4, LiBF4, LiPF6 and LiAsF6)中的氧化分解過程，。研究可以發現氧化過後，碳酸亞丙酯中的carbonyl C-O鍵長會縮短，而鄰近的ethereal C-O鍵長會變長，導致自由基丙酮和二氧化碳作為主要的氧化分解產物的形成。初級自由基終止生成polycarbonate,

acetone, diketone, 2-(ethan-1-ylium-1-yl)-4-methyl-1, 3-dioxolan-4-ylium and CO2.。由熱力學和動力學的數據顯示，碳酸丙烯酯的氧化分解產物為獨立不同的鋰鹽。然而，碳酸亞丙酯的分解速度常數會受到鋰鹽的影響。基本上，用過渡態理論的速率常數計算，產生的氣體體積的順序是：[PC-CLO4]¯> [PC-BF4]¯> [PC-AsF6]¯> [PC-PF6]¯。然後，我們開發出了高通量虛擬篩選技術，以確定潛在的電解液添加劑源自ES。由6562立體結構不同產生一個虛擬ES的核心結構，通過採用R-基團枚舉計劃來分析鏡像化學。藉由

分析分子的性質，例如，前沿分子軌道能量，化學電離勢，電子親和勢，硬度和偶極矩，被選定為描述符。，然後評估潛在的電解液添加劑可以形成在石墨電極上的表面保護膜。