下一代动力电池的希望：离子液体蓄电池解析

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，RoomTemperatureIonicLiquid）。

　　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"。

　　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。

　　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：

　　1.离子液体具有较高的离子导电率；

　　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；

　　3.具有较低的蒸汽压，因而具有不易燃烧的特性；

　　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；

　　5.离子液体的黏度较低；

　　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"。

　　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。

　　四、国外在蓄电池用离子液体方面的研究

　　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。

　　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。

　　1.改变离子液体的电化学性质

　　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。

　　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。

　　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。

　　图1改变离子液体的成分，以改变其电化学性质

　　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。

　　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

　　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"Hodoyoshi3号"上，在宇宙空间进行了实验。

　　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"Hodoyoshi3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。

　　图3安装在卫星上的离子液体蓄电池（容量：1Ah，最大电压：4.2V）

　　图4安装离子液体蓄电池的超小型卫星"Hodoyoshi3号"

　　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。

　　2.研究适应离子液体电化学特性的新型电极

　　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：

（1）离