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下一代动力电池的希望:离子液体蓄电池解析

2017-12-05 10:13 来源:互联网 编辑:Janet

一、形形色色的蓄电池相关事故

事例一

2013年1月7日,停放在美国波士顿国际机场的日本航空JA829J次航班发生火灾,该航班由波音787型客机执飞。火源为波音787机上的辅助动力单元(APU,Auxiliary Power Unit)。

波音787是波音公司推出的最新型旅客机。采用大量复合材料,具有较低的燃料消耗率和污染物质排放量较少的特点。同时,客舱采用可以调节亮度和光色的LED照明、用电子方式调节透明度的大面积舷窗等新技术;具备了低噪音、低维护成本、高可靠度的机体设计以及以中型机体能够执飞长距离航线的卓越性能。无论对于航空公司还是对于乘客,都是名副其实的与其机种名称相称的“梦想飞机(Dream liner)”。

经过美国国家运输安全委员会(NTSB,National Transportation Safety Board)发表的中间调查报告,飞机辅助动力单元出现料严重的烧损。可以判断,这次事故是因电池组过热导致起火燃烧。

幸运的是,这次事故发生在地面,所以没有造成更大的灾难。同时,因为机体和电池组完整地保存下来,也为调查事故原因提供了充足的条件。

事例二

2015年4月26日,深圳某加电站内,因大巴车内的蓄电池组起火,大巴被烧成骨架。据《第一电动网》报道:事故直接原因是:车辆动力电池充满电后,动力电池过充电72分钟,过充电量58kWh,造成多个电池箱先后发生动力电池热失控、电解液泄漏,引起短路,导致火灾。

事例三

2015年7月22日凌晨,厦门某公交车停车场内发生火灾。现场共有11辆公交车遭到火烧,其中有多部公交车几乎烧成了骨架。据报道:起火原因为公交车尾部的电池组电气故障引起自燃,11辆被火的公交车中有6辆为混合动力公交车。

从2010年开始,在国内新能源汽车相关事故中,因电池安全问题所导致的事故几乎年年发生,在一定程度上引发了对于这一类新型汽车安全问题的担忧。

据报道:在2015年4月26日举行的北京市本年度第二期购车指标摇号活动中,新能源小客车指标申请数小于本期指标配额,无需摇号,直接配置。

二、蓄电池的软肋

普通电池在放电时,阳极发生氧化反应,产生的电子通过外部电路导出,以电流的形式被人们利用;电流通过电路流向阴极,阴极获得电子发生还原反应。

充电电池和普通电池不一样之处在于,当外部的电压高于电池所能提供的电压时,电池内部的阳极和阴极会产生于放电时相反的反应,即阳极物质被还原,阴极物质被氧化,从而达到充电的效果。

在电池的电极发生氧化反应和还原反应的过程中,电解液提供了反应产生的离子通过的通道,因此在电池中起到重要的作用。

一般蓄电池中的电解液,可以使用水溶液或有机溶剂。但是,当蓄电池的种类为锂离子蓄电池时,由于下列两个主要原因,无法使用水溶液:

1、构成电极的主要物质(如锂片等)会与水反应。而这一类的副反应如果过多,会加速电池容量的衰减;

2、水的理论分解电压为1.23v,所以以水溶液为电解液体系的蓄电池最高电压只能达到2.0v左右(如铅酸蓄电池)。

因此,目前蓄电池中所使用的电解液,基本上是使用了有机溶剂。

可是,使用有机溶剂的蓄电池的最大弱点,就是容易燃烧。

目前蓄电池使用的有机溶剂都具有容易挥发的特性。在电池因某种原因发热时,会加速有机溶剂的挥发,挥发产生的气体容易燃烧,在满足某些条件的情况下会引起爆炸。

这恐怕就是上述各种新能源汽车蓄电池发生燃烧事故的根源。

换句话说,如果能找到一种液体,不容易气化,那么,就可以杜绝电池燃烧事故的发生。

从另一个角度我们可以看到:在大型车辆中使用的蓄电池,其发生故障的可能性是非常高的。

一块普通电池模块的规格为100AH/3.2V,如果用于驱动轿车,驱动电压约为72-150伏特,大概需要组合20-30个这样的电池模块;而如果用于驱动公交大巴,驱动电压约为200-500伏特,则需要组合70-170个这样的电池模块!即使每个电池模块的合格率高达99.9%,由170块电池组成的电池包其整体合格率也只有84%!换句话说,如果一个公交车队保有100台公交大巴,那么其中可能就有十几台是存在电池燃烧事故隐患的!

我们知道,目前人类在常温下所经常接触到的液体物质(不包括液体元素)只有两种:水(及其溶液)和有机溶剂。而在上面的叙述中可以想像得到:如果局限于使用由这两种液体制造的传统电解液,蓄电池的发展已经遇到了瓶颈。

三、发现了新型液体

在这种状况下,一种新型液体——离子液体(Ionic Liquids)进入了研究者的视线。

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,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


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