下一代动力电池的希望：离子液体蓄电池解析

子液体对电极材料产生破坏作用

　　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。

　　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。

　　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300-360Wh/kg），充放电寿命也有了很大提高。

　　（2）离子液体在电极周围形成阻挡离子传导电荷的界面

　　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。

　　图5离子液体中电极周围形成阻挡离子传导界面示意图

　　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。

　　3.采用新型的电极材料

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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

　　五、因离子液体蓄电池所引出的题外话

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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！

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