借助離子液體利用生物質改進鋰電池

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打開生物質寶庫的金鑰匙

我們知道,石油、煤炭、天然氣等化石燃料已經成為現代社會賴以運轉的根基之一。然而隨著化石燃料的日漸枯竭,以及燃燒化石燃料排放二氧化碳造成的全球氣候變暖等氣候問題,人們不得不尋找更具有可持續性的新能源。而在眾多可再生能量來源中就包括了生物質,即地球上各種生物制造出來的有機物。作為新能源的生物質,當然不是要我們走砍柴燒火的老路,而是著眼于對生物質進行精煉,將其轉化為性能更高的液體或者氣體燃料。在這一過程中,我們還可以獲取其它原本需要從化石燃料中提煉的重要化工原料,可謂一舉兩得。

目前,不少通過生物質精煉來獲取燃料、或者化工原料的工藝已經相當成熟。例如糖類經微生物發酵后得到的乙醇,不僅能按照一定比例添加入汽油中作為汽車燃料使用,還可以與動植物油脂反應,得到能夠替代柴油的生物柴油。乙醇還可以作為許多化工產品的原料,例如將其脫水后就得到乙烯,可以合成重要的塑料聚乙烯。

然而,這些方法雖然行之有效,但其利用的對象主要是淀粉、糖、油脂等來自農產品的生物質,因此不可避免地要與糧食生產爭奪土地。在全世界仍然有九分之一的人口未能擺脫饑餓的情況下,這些利用生物質能源的手段難免遭人詬病。因此,不少領域內科研人員認為,生物質能源要想真正發展,必須將利用對象轉移到木質纖維素生物質。

所謂木質纖維素生物質,指的是由纖維素、半纖維素和木質素這三種天然高分子化合物組成的生物質,它們構成了綠色植物的主干,可以說是植物生物質的代名詞。木質纖維素生物質不僅儲量豐富,而且它們不能被人體消化吸收。因此,如果把生物質能源的原料從農作物轉換到木質纖維素,不僅可以大大減輕對農業生產的依賴,而且還可以幫助消化農產品加工的廢料,例如秸稈、甘蔗渣等。而邁出這一步轉換在理論上也并不困難:纖維素可以通過化學或者生物手段水解為葡萄糖,只要這一步做好了,我們就可以將取之不盡用之不竭的木質纖維素資源與成熟的生物質能源技術實現完美對接。

然而在實踐中,正是纖維素水解這至關重要的第一步,讓研究人員頗為頭疼。由于分子間強烈的氫鍵,纖維素會形成致密的晶體,這使得它們無法溶解于大多數溶劑。如果不能形成溶液,纖維素的水解就很難高效地進行。幸運的是,近年來研究人員發現,許多離子液體可以通過破壞纖維素分子之間的氫鍵來溶解一定比例的纖維素,一些離子液體甚至可以將整個木質纖維素生物質悉數吞下。一旦形成了溶液,我們就有可能對纖維素進行進一步的處理,從而更好地利用大自然賦予我們的寶庫。

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某種離子液體(左)能夠溶解山毛櫸木材的粉末(中),形成均勻的溶液(右)

(圖片來源:Michael Zavrel et al.,Bioresource Technology,2009)

離子液體不僅可以幫助我們更好地利用生物質,還有可能在另一項與能源有關的應用中大顯身手,那就是如今幾乎人人都離不開的鋰離子電池。

讓鋰離子電池更安全

2016年,手機制造商韓國三星公司的Note7 手機在上市不久就多次發生充電時爆炸的事故,不僅給用戶帶來財產損失,還導致各國航空公司出于安全考慮對三星Note 7手機頒布“禁令”,一時成為轟動新聞。這一系列事故的罪魁禍首,正是手機使用的鋰離子電池。

其實,這并不是鋰離子電池第一次“惹是生非”。在2006年,日本電子產品制造商索尼公司生產的鋰離子電池就曾因為存在安全隱患,導致大量筆記本電腦被廠商召回。還有今年特斯拉電動汽車發生的多次自燃事故,也被懷疑與汽車使用的鋰離子電池有關。

鋰離子電池的安全事故頻發,要歸咎于它的“軟肋”——電解質。當鋰離子電池放電時,原本鑲嵌在電池負極(通常為石墨)中的鋰離子脫嵌出來向正極(通常為鈷鋰氧化物、磷酸鋰鐵等含鋰化合物)移動;而當電池充電時,上述過程便反了過來,鋰離子從正極移向負極并重新嵌入石墨中。為了保證鋰離子電池能夠正常工作,我們需要提供一個液體介質,讓鋰離子能夠在兩個電極間自由移動,這個媒介就是電解質。不僅是鋰離子電池,其它類型的電池同樣離不開電解質這一關鍵組成部分。

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鋰離子電池的工作原理

(圖片來源:Noshin Omar etal. Energies, 2012)

注:Charge mechanism -充電機理;discharge mechanism-放電機理;charger -充電器;load-負載;electrons -電子;current -電流;electrolyte -電解質;anode -陽極(電池放電時為負極);cathode -陰極(電池放電時為正極);separator -隔膜

最常被用作電池電解質的,是離子化合物的水溶液。例如最常見的一次性碳鋅干電池使用的電解質,是氯化銨或者氯化鋅溶于水形成的糊狀物;而一次性堿性電池的電解質則是氫氧化鉀這種強堿的水溶液,這也就是這種電池得名堿性電池的原因。

那么以此類推,只要將鋰鹽溶于水,我們不就可以得到鋰離子電池的電解質了嗎?很不幸,這個通常情況下屢試不爽的方法,在這里卻是行不通的,這是由于鋰離子電池的工作電壓太高,足以將水電解成氫氣和氧氣。因此在鋰離子電池中,我們只能用有機溶劑來代替水去溶解鋰鹽。然而這些有機溶劑雖然不會被電解,卻具有易燃的缺點。一旦鋰離子電池發生故障,有機溶劑被點燃,其后果自然不堪設想。

盡管鋰離子電池屢屢發生安全事故,但我們還是不得不依賴它,這是因為鋰離子電池具有可反復充電、能量密度大等優勢,在手機、筆記本電腦等便攜式電子設備中,現有其他類型的電池還真的無法勝任。特別是隨著鋰離子電池用于電動汽車等新型交通工具,以及與太陽能、風能配套的儲能設備,其應用范圍還將進一步擴展。因此,提高鋰離子電池的安全性刻不容緩。

既然鋰離子電池安全隱患的根源是電解質中易燃的有機溶劑,我們能否用不會燃燒的溶劑來替代它呢?剛才提到,用水溶液做電解質是行不通的,那么剩下的選擇自然就是離子液體了。而事實上,離子液體也確實沒有辜負科學家們的期待。

2010年來自加拿大的一項研究表明,如果向傳統的鋰離子電池電解液中加入質量分數為40%的離子液體,電池的性能并沒有受到明顯的影響,但電解液的易燃性顯著降低,即便面對明晃晃的火焰也不會燃燒。有了這樣的電解質,鋰離子電池的安全隱患或許將徹底成為歷史。

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向常用于鋰離子電池電解質的有機溶劑中添加40%的離子液體后,溶劑就變得不再易燃,從而大大提高了鋰離子電池的安全性。

(圖片來源:A. Guerfi et al. Journal of Power Sources, 2010)

不過,離子液體雖然在許多領域都顯示出了獨特的優勢,但相當一部分與之有關的應用仍然停留在實驗室研究階段。這背后的原因雖然多種多樣,不過有幾個頗具共性的“攔路虎”值得注意。

首先,與傳統的溶劑相比,離子液體還是貴了點兒。據估算,目前離子液體的價格在每公斤20美元左右,如果要想用離子液體取代傳統的有機溶劑,其價格至少應該降至每公斤2.5美元左右,才會讓習慣了精打細算的生產者覺得有利可圖。

其次,許多離子液體雖然在室溫下是液體,但黏度較高,流動性比起傳統有機溶劑差了一大截,這就可能給生產和使用過程帶來諸多不便。

第三,早期開發的離子液體大多容易吸濕,這在很多場合也是個麻煩事。例如許多離子液體雖然是纖維素的良好溶劑,但其中一旦混入了少量的水分,對纖維素的溶解能力就會直線下降;另外,一些離子液體,例如前面提到的六氟磷酸鹽,一旦遇水就會分解,釋放出劇毒的氫氟酸,對使用者的人身安全是嚴重的威脅。如果離子液體的使用必須在極度干燥的條件下進行,也會讓它們自身的優勢大打折扣。除此之外,離子液體使用后如何回收再利用,以及如何降低某些離子液體的毒性,都是值得注意的問題。

毋庸置疑,離子液體今后的發展道路上仍然有許多難關需要克服。不過,幾十年的實踐告訴我們,這些會流動的鹽的確可謂是前途無量。不斷發展進步的離子液體,必將給我們帶來更加綠色環保的生活。

 

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