离子液体蓄电池登场
离子液体(ionic liquids)
离子液体是呈液态的盐(化学分类上的“盐”，有别于日常生活中的“食盐”)。一般来讲，在摄氏100度以下(也有摄氏150度以下的分类标注)为液态的盐被称为离子液体。其中，特别是在常温常压下处于液态的离子液体被称为“常温离子液体”(RTIL，Room
 Temperature Ionic Liquid)。 6park.com
实际上，离子液体在20世纪的50年代即被发现。但因当时并没有找到安定性比较好的组合而被束之高阁。20世纪90年代，随着高蓄电能力的蓄电池的开发，为找到新的更好的电解液，离子液体再次受到瞩目。同时，随着研究的深入，在各种各样的样本不断产生的同时，离子液体的量产化技术也逐渐确立，而被称为“梦幻般的新材料”。 6park.com
通过改变离子液体的阴阳离子的组合，可以得到不同的离子液体。目前，从发表的论文看，约有1,300种左右。但在理论上，离子液体约有10^18种。 6park.com
离子液体最大的特点在于，其本身具有许多水系溶剂和有机溶剂所没有的优点： 6park.com
1. 离子液体具有较高的离子导电率; 6park.com
2. 在比较大的温度范围内(-30℃～+300℃)可以维持稳定的液体状态，耐热性很强; 6park.com
3. 具有较低的蒸汽压，因而具有不易燃烧的特性; 6park.com
4. 一般的离子液体具有不挥发性，因此化学反应后的分离和再利用比较容易。可以用来作为化学反应的环境物质或催化剂; 6park.com
5. 离子液体的黏度较低; 6park.com
6. 在某些阴阳离子组合下，离子液体无法与水或有机溶剂相互溶解。当将其混合时，会发生相分离。所以在有些场合，离子液体被称为“第三种液体”。 6park.com
从离子液体的种种特性来看，将其作为蓄电池的电解液，可以说是顺理成章的。 6park.com
四、国外在蓄电池用离子液体方面的研究 6park.com
仅将蓄电池的电解液换成离子液体是不行的。一方面，离子液体的阴阳离子之间的化学键比较强，限制了电解液中的电荷移动;另一方面，在蓄电池的阳极和阴极表面会产生离子液体的分解反应，导致在电极和离子液体之间产生界面，同样会妨碍电子的流动。其结果，和现在使用的锂离子蓄电池相比，使用离子液体的蓄电池电能输出密度(W/kg)较低，电池本身的性能也会降低。 6park.com
针对这些问题，目前国外的对于离子液体的研究主要集中在以下几个方面。 6park.com
1. 改变离子液体的电化学性质 6park.com
离子液体的本质，是由非常复杂的阴阳离子构成的一种处于绝妙平衡状态的液体物质。 6park.com
所以，只要能够保持平衡状态不被破坏，就可以置换阴阳离子的某一部分，从而达到改变离子液体电化学特性的目的。 6park.com
日本关西大学的石川正司教授在研究用来作为锂离子蓄电池电解液的某种离子液体时，发现阴离子对锂离子的吸引力非常大，以至于在离子液体中锂离子几乎无法移动。其结果，使用离子液体的锂离子蓄电池完全无法发其功能。在这种情况下，石川教授将阴离子中原有的3个氟原子减少为1个，大大降低了阴离子对锂离子的束缚力，成功地开发出了新型的锂离子蓄电池。 6park.com
图1 改变离子液体的成分，以改变其电化学性质 6park.com
离子液体是由阳离子和阴离子组成的化合物。正因为这些阴阳离子相互紧密地连接在一起，才会产生离子液体的蒸气压很低的现象。所以，研究离子液体的关键，是如何在充分保持离子液体的电化学和物理学特性的前提下，尽量减弱阴阳离子的吸引力，特别是减弱阴离子对金属离子(例如：锂离子)的吸引力。这样才能在利用离子液体的特性的同时，避免传统锂离子蓄电池的缺点。 6park.com
图2 使用离子液体的蓄电池的充放电性能高于传统蓄电池 6park.com
作为离子液体蓄电池的成功标志，2014年6月20日，石川教授开发的蓄电池安装到日本东京大学开发的超小型人造地球卫星“Hodoyoshi 3号”上，在宇宙空间进行了实验。 6park.com
目前为止，安装到卫星上的蓄电池因采用了具有挥发性质和受到宇宙射线照射会产生变质的电解液，所以为了保证安全，必须进行配备坚固的外壳，因此重量比较大。而石川教授开发的使用离子液体的锂离子蓄电池，因使用了离子液体，不存在挥发和性能变化的问题，所以可以减少很多的卫星重量。另外，对于“Hodoyoshi
 3号”这种超小型卫星，也不适于装备中体积较大的传统型蓄电池。所以，使用离子液电池对于超小型卫星来说，是一个新的利好消息。 6park.com
据日本媒体报道，使用石川教授开发的蓄电池进行的实验取得了圆满的成功，这无疑为离子液体蓄电池和宇航技术的发展指明了一条新的道路。 6park.com
2. 研究适应离子液体电化学特性的新型电极 6park.com
离子液体电解液会对传统蓄电池的电极材料产生较大的影响。这种影响分为两部分： 6park.com
(1)离子液体对电极材料产生破坏作用 6park.com
在传统蓄电池的研究过程中，人们发现：使用硅基阴极材料，可大大提高阴极可逆容量(高达4,200mAh/g)。可是，和传统蓄电池同样，离子液体也对硅基电极产生粉化作用。 6park.com
对于石墨电极，离子液体也会造成石墨分子层状结构的紊乱，从而降低电池性能。 6park.com
为解决这个问题，东京理科大学的驹场慎一教授等研究人员在离子液体蓄电池中使用聚丙烯酸等功能性粘合剂，成功地提高了电池容量和充放电寿命。其结果，研制成功了能量密度为600Wh/kg的蓄电池(传统蓄电池为300-360 Wh/kg)，充放电寿命也有了很大提高。 6park.com
(2)离子液体在电极周围形成阻挡离子传导电荷的界面 6park.com
离子液体仅由阳离子和阴离子两种粒子组成，在离子液体中，作为阳离子而存在的锂离子被离子液体的阴离子所包围，整个离子团呈现阴性;同时，蓄电池阴极周围被大量的离子液体的阳离子所包围。这两个效应导致蓄电池中的锂离子无法接近阴极，无法形成内部的电流回路。 6park.com
图5 离子液体中电极周围形成阻挡离子传导界面示意图 6park.com
为解决这个问题，日本庆应大学的研究人员使用与锂离子亲和力较低的离子液体，当包裹锂离子的离子团接近阴极时，从离子团中放出锂离子。其结果，可以减弱电极周围界面的强度。 6park.com
3. 采用新型的电极材料 6park.com
在使用离子液体的新型电池研究中，Na-S蓄电池再次受到瞩目。 6park.com
主要原因有下列两点：(1)硫磺的理论电容量高达1,670mAh/g，是传统锂电池理论电容量(140mAh/g)的10倍以上;(2)作为阴极材料的钠元素，其资源量远远高于锂元素(在地壳和海洋中钠元素的丰度(克拉克值)为锂元素的1,000倍以上)，并且很容易获取。 6park.com
但是使用传统电解液时，Na-S蓄电池也存在着很多问题，限制了其进一步的发展。其主要问题是，在电池充放电时，硫磺阳极出现向电解液中溶解的现象;电池内部出现副反应，从而降低充放电容量;蓄电池的寿命较短等等。 6park.com
而当使用离子液体作为电解液时，上述问题点均得到抑制。同时，电池容量以及能量密度等参数也比传统电池有较大提高，蓄电池成本有较大降低。 6park.com
图6 用离子液体作为电解液可以抑制Na-S蓄电池阳极的溶解 6park.com
五、因离子液体蓄电池所引出的题外话 6park.com
纵观离子液体应用于蓄电池的过程我们发现，即使在技术飞速发展的现代，基础科学的研究仍然非常重要。当历史发展到21世纪，随着社会发展节奏的加快，在世界范围内人们的心里变得浮躁。不仅在基础研究方面，即使在技术的应用方面能够精心钻研的人也是越来越少。 6park.com
在日常生活中人们很难感受到：基础研究关系到一个国家、一个民族发展的“后劲”，默默无闻的基础研究是带动应用研究和科学技术产生飞跃的基石。 6park.com
在20世纪90年代以前，离子液体仅仅是作为一种新型的液态物质而被研究的。 6park.com
离子液体的电化学性能并不为人们所掌握，社会上也没有应用这些性能的客观要求。铅酸蓄电池贯穿着整个汽车的发展史，现在仍然在汽车的蓄电零部件中占有重要的地位。对于以汽油和柴油为动力的传统汽车系统来说，铅酸蓄电池的性能完全能满足需要(尽管在其寿命方面并不尽人意)。但是，当环保、节能、轻量和新能源成为汽车行业乃至整个社会的主旋律，铅酸蓄电池的缺点在社会观念这个价值观的评价体系中越来越引人注目。更加高效而又环保的新型电池在越来越受到人们重视的同时，对电池本身性能的要求也越来越高。而当蓄电池的发展遇到瓶颈，人们自然而然地回去寻找新的材料。 6park.com
这也就是20世纪90年代之后离子液体研究高速发展的重要原因之一。 6park.com
社会需要是科学技术发展的动力。可是，如果没有在那之前研究人员脚踏实地的基础研究，现在欣欣向荣的世界恐怕会是另一个样子。 6park.com
将近100年前人类刚刚进入电气时代，现代意义上的钨丝白炽灯(1906年发明)刚刚进入人们的生活。当新西兰的物理学家欧内斯特・卢瑟福用α射线照射原子核时，他的目的仅仅是为了证实自己的原子核结构模型理论。也就是说，在当时物质的深层结构研究是个完全与社会生活无关的、“高大上”的纯理论研究。可是，恰恰在卢瑟福的研究的后面，隐藏着一个崭新的、无限广阔的世界!以这个实验为基础，人们发展出了原子物理、量子力学和相对论等一系列改变世界面貌的理论。 6park.com
从某种意义上讲，我们现代生活的每个方面都得益于卢瑟福当年进行的这个基础研究! 6park.com
曾经担任美国费米国家加速器实验室(费米实验室，Fermi National Accelerator 
Laboratory)所长的罗伯特•R•威尔逊(Robert Rathbun 
Wilson)先生曾经有过这样一段轶事：当他提出建设新型高能物理加速器而被国会咨询时，曾被问道：高能加速器对国防有帮助吗?他回答说：建设高能加速器关系到我们做人的尊严和其他国家对我们的文化的崇拜……它虽然和国防没有关系，但是，它会使我们的国家拥有值得保卫的价值! 6park.com
基础研究的重要性在这个故事中的到了完美的体现。 6park.com
六、结论 6park.com
离子液体蓄电池是近年来新发展的一种新技术，世界各国都站在研发的起跑线上。所以，在进行研究时，比较容易出成果。目前，各国的研究机关都处于相关成分的摸索阶段。在对各种成分进行组合，以找到各家有效的配比。这个研究阶段，需要的并不是什么高深的理论，而是需要进行大量的配比试验。因此需要大量的具有基本技能的试验人员。这，正是缺少基础研究人员的我国的强项。