離子液體是近年來(lái)新發(fā)展的一種新技術(shù)，世界各國(guó)都站在研發(fā)的起跑線上。所以，在進(jìn)行研究時(shí)，比較容易出成果。目前，各國(guó)的研究機(jī)關(guān)都處于相關(guān)成分的摸索階段。在對(duì)各種成分進(jìn)行組合，以找到各家有效的配比。本文就為大家來(lái)講講下一代動(dòng)力電池的希望——離子液體解析。 一、形形色色的蓄電池相關(guān)事故 事例一 2013年1月7日，停放在美國(guó)波士頓國(guó)際機(jī)場(chǎng)的日本航空J(rèn)A829J次航班發(fā)生火災(zāi)，該航班由波音787型客機(jī)執(zhí)飛?；鹪礊椴ㄒ?87機(jī)上的輔助動(dòng)力單元（APU，Auxiliary Power Unit）。 波音787是波音公司推出的最新型旅客機(jī)。采用大量復(fù)合材料，具有較低的燃料消耗率和污染物質(zhì)排放量較少的特點(diǎn)。同時(shí)，客艙采用可以調(diào)節(jié)亮度和光色的LED照明、用電子方式調(diào)節(jié)透明度的大面積舷窗等新技術(shù)；具備了低噪音、低維護(hù)成本、高可靠度的機(jī)體設(shè)計(jì)以及以中型機(jī)體能夠執(zhí)飛長(zhǎng)距離航線的卓越性能。無(wú)論對(duì)于航空公司還是對(duì)于乘客，都是名副其實(shí)的與其機(jī)種名稱(chēng)相稱(chēng)的“夢(mèng)想飛機(jī)（Dream liner）”。 經(jīng)過(guò)美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)（NTSB，National Transportation Safety Board）發(fā)表的中間調(diào)查報(bào)告，飛機(jī)輔助動(dòng)力單元出現(xiàn)料嚴(yán)重的燒損。可以判斷，這次事故是因電池組過(guò)熱導(dǎo)致起火燃燒。 幸運(yùn)的是，這次事故發(fā)生在地面，所以沒(méi)有造成更大的災(zāi)難。同時(shí)，因?yàn)闄C(jī)體和電池組完整地保存下來(lái)，也為調(diào)查事故原因提供了充足的條件。 事例二 2015年4月26日，深圳某加電站內(nèi)，因大巴車(chē)內(nèi)的蓄電池組起火，大巴被燒成骨架。據(jù)《第一電動(dòng)網(wǎng)》報(bào)道：事故直接原因是：車(chē)輛動(dòng)力電池充滿電后，動(dòng)力電池過(guò)充電72分鐘，過(guò)充電量58kWh，造成多個(gè)電池箱先后發(fā)生動(dòng)力電池?zé)崾Э?、電解液泄漏，引起短路，?dǎo)致火災(zāi)。 事例三 2015年7月22日凌晨，廈門(mén)某公交車(chē)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)?，F(xiàn)場(chǎng)共有11輛公交車(chē)遭到火燒，其中有多部公交車(chē)幾乎燒成了骨架。據(jù)報(bào)道：起火原因?yàn)楣卉?chē)尾部的電池組電氣故障引起自燃，11輛被火的公交車(chē)中有6輛為混合動(dòng)力公交車(chē)。 從2010年開(kāi)始，在國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)相關(guān)事故中，因電池安全問(wèn)題所導(dǎo)致的事故幾乎年年發(fā)生，在一定程度上引發(fā)了對(duì)于這一類(lèi)新型汽車(chē)安全問(wèn)題的擔(dān)憂。 據(jù)報(bào)道：在2015年4月26日舉行的北京市本年度第二期購(gòu)車(chē)指標(biāo)搖號(hào)活動(dòng)中，新能源小客車(chē)指標(biāo)申請(qǐng)數(shù)小于本期指標(biāo)配額，無(wú)需搖號(hào)，直接配置。 二、蓄電池的軟肋 普通電池在放電時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的電子通過(guò)外部電路導(dǎo)出，以電流的形式被人們利用；電流通過(guò)電路流向陰極，陰極獲得電子發(fā)生還原反應(yīng)。 充電電池和普通電池不一樣之處在于，當(dāng)外部的電壓高于電池所能提供的電壓時(shí)，電池內(nèi)部的陽(yáng)極和陰極會(huì)產(chǎn)生于放電時(shí)相反的反應(yīng)，即陽(yáng)極物質(zhì)被還原，陰極物質(zhì)被氧化，從而達(dá)到充電的效果。 在電池的電極發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的過(guò)程中，電解液提供了反應(yīng)產(chǎn)生的離子通過(guò)的通道，因此在電池中起到重要的作用。 一般蓄電池中的電解液，可以使用水溶液或有機(jī)溶劑。但是，當(dāng)蓄電池的種類(lèi)為鋰離子蓄電池時(shí)，由于下列兩個(gè)主要原因，無(wú)法使用水溶液： 1、構(gòu)成電極的主要物質(zhì)（如鋰片等）會(huì)與水反應(yīng)。而這一類(lèi)的副反應(yīng)如果過(guò)多，會(huì)加速電池容量的衰減； 2、水的理論分解電壓為1.23v，所以以水溶液為電解液體系的蓄電池最高電壓只能達(dá)到2.0v左右（如鉛酸蓄電池）。 因此，目前蓄電池中所使用的電解液，基本上是使用了有機(jī)溶劑。 可是，使用有機(jī)溶劑的蓄電池的最大弱點(diǎn)，就是容易燃燒。 目前蓄電池使用的有機(jī)溶劑都具有容易揮發(fā)的特性。在電池因某種原因發(fā)熱時(shí)，會(huì)加速有機(jī)溶劑的揮發(fā)，揮發(fā)產(chǎn)生的氣體容易燃燒，在滿足某些條件的情況下會(huì)引起爆炸。 這恐怕就是上述各種新能源汽車(chē)蓄電池發(fā)生燃燒事故的根源。 換句話說(shuō)，如果能找到一種液體，不容易氣化，那么，就可以杜絕電池燃燒事故的發(fā)生。 從另一個(gè)角度我們可以看到：在大型車(chē)輛中使用的蓄電池，其發(fā)生故障的可能性是非常高的。 一塊普通電池模塊的規(guī)格為100AH/3.2V，如果用于驅(qū)動(dòng)轎車(chē)，驅(qū)動(dòng)電壓約為72-150伏特，大概需要組合20-30個(gè)這樣的電池模塊；而如果用于驅(qū)動(dòng)公交大巴，驅(qū)動(dòng)電壓約為200-500伏特，則需要組合70-170個(gè)這樣的電池模塊！即使每個(gè)電池模塊的合格率高達(dá)99.9%，由170塊電池組成的電池包其整體合格率也只有84%！換句話說(shuō)，如果一個(gè)公交車(chē)隊(duì)保有100臺(tái)公交大巴，那么其中可能就有十幾臺(tái)是存在電池燃燒事故隱患的！ 我們知道，目前人類(lèi)在常溫下所經(jīng)常接觸到的液體物質(zhì)（不包括液體元素）只有兩種：水（及其溶液）和有機(jī)溶劑。而在上面的敘述中可以想像得到：如果局限于使用由這兩種液體制造的傳統(tǒng)電解液，蓄電池的發(fā)展已經(jīng)遇到了瓶頸。三、發(fā)現(xiàn)了新型液體 在這種狀況下，一種新型液體——離子液體（Ionic Liquids）進(jìn)入了研究者的視線。 離子液體是呈液態(tài)的鹽（化學(xué)分類(lèi)上的“鹽”，有別于日常生活中的“食鹽”）。一般來(lái)講，在攝氏100度以下（也有攝氏150度以下的分類(lèi)標(biāo)注）為液態(tài)的鹽被稱(chēng)為離子液體。其中，特別是在常溫常壓下處于液態(tài)的離子液體被稱(chēng)為“常溫離子液體”（RTIL，RoomTemperatureIonicLiquid）。 實(shí)際上，離子液體在20世紀(jì)的50年代即被發(fā)現(xiàn)。但因當(dāng)時(shí)并沒(méi)有找到安定性比較好的組合而被束之高閣。20世紀(jì)90年代，隨著高蓄電能力的蓄電池的開(kāi)發(fā)，為找到新的更好的電解液，離子液體再次受到矚目。同時(shí)，隨著研究的深入，在各種各樣的樣本不斷產(chǎn)生的同時(shí)，離子液體的量產(chǎn)化技術(shù)也逐漸確立，而被稱(chēng)為“夢(mèng)幻般的新材料”。 通過(guò)改變離子液體的陰陽(yáng)離子的組合，可以得到不同的離子液體。目前，從發(fā)表的論文看，約有1，300種左右。但在理論上，離子液體約有10^18種。 離子液體最大的特點(diǎn)在于，其本身具有許多水系溶劑和有機(jī)溶劑所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)： 1.離子液體具有較高的離子導(dǎo)電率； 2.在比較大的溫度范圍內(nèi)（-30℃～+300℃）可以維持穩(wěn)定的液體狀態(tài)，耐熱性很強(qiáng)； 3.具有較低的蒸汽壓，因而具有不易燃燒的特性； 4.一般的離子液體具有不揮發(fā)性，因此化學(xué)反應(yīng)后的分離和再利用比較容易?？梢杂脕?lái)作為化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境物質(zhì)或催化劑； 5.離子液體的黏度較低； 6.在某些陰陽(yáng)離子組合下，離子液體無(wú)法與水或有機(jī)溶劑相互溶解。當(dāng)將其混合時(shí)，會(huì)發(fā)生相分離。所以在有些場(chǎng)合，離子液體被稱(chēng)為“第三種液體”。 從離子液體的種種特性來(lái)看，將其作為蓄電池的電解液，可以說(shuō)是順理成章的。 四、國(guó)外在蓄電池用離子液體方面的研究 僅將蓄電池的電解液換成離子液體是不行的。一方面，離子液體的陰陽(yáng)離子之間的化學(xué)鍵比較強(qiáng)，限制了電解液中的電荷移動(dòng)；另一方面，在蓄電池的陽(yáng)極和陰極表面會(huì)產(chǎn)生離子液體的分解反應(yīng)，導(dǎo)致在電極和離子液體之間產(chǎn)生界面，同樣會(huì)妨礙電子的流動(dòng)。其結(jié)果，和現(xiàn)在使用的鋰離子蓄電池相比，使用離子液體的蓄電池電能輸出密度（W/kg）較低，電池本身的性能也會(huì)降低。 針對(duì)這些問(wèn)題，目前國(guó)外的對(duì)于離子液體的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。 1.改變離子液體的電化學(xué)性質(zhì) 離子液體的本質(zhì)，是由非常復(fù)雜的陰陽(yáng)離子構(gòu)成的一種處于絕妙平衡狀態(tài)的液體物質(zhì)。 所以，只要能夠保持平衡狀態(tài)不被破壞，就可以置換陰陽(yáng)離子的某一部分，從而達(dá)到改變離子液體電化學(xué)特性的目的。 日本關(guān)西大學(xué)的石川正司教授在研究用來(lái)作為鋰離子蓄電池電解液的某種離子液體時(shí)，發(fā)現(xiàn)陰離子對(duì)鋰離子的吸引力非常大，以至于在離子液體中鋰離子幾乎無(wú)法移動(dòng)。其結(jié)果，使用離子液體的鋰離子蓄電池完全無(wú)法發(fā)其功能。在這種情況下，石川教授將陰離子中原有的3個(gè)氟原子減少為1個(gè)，大大降低了陰離子對(duì)鋰離子的束縛力，成功地開(kāi)發(fā)出了新型的鋰離子蓄電池。