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利用生物质 改进锂电池 绿色生活未来都要靠它实现,锂离子电池,生物质能设备

2018-11-09 08:42:35 0人评论 次浏览
前情提要:在本文上半部分,我们介绍了离子液体的基本概念——在室温或者略高于室温的条件下处于液体的离子化合物,以及它的重要用途,即作为更加安全环保的溶剂。在下半部分,我们还将了解更多离子液体的潜在应用,而这些应用都与我们的生活密切相关。
出品:科普中国
制作:魏昕宇
监制:中国科学院计算机网络信息中心  打开生物质宝库的金钥匙
  我们知道,石油、煤炭、天然气等化石燃料已经成为现代社会赖以运转的根基之一。然而随着化石燃料的日渐枯竭,以及燃烧化石燃料排放二氧化碳造成的全球气候变暖等气候问题,人们不得不寻找更具有可持续性的新能源。而在众多可再生能量来源中就包括了生物质,即地球上各种生物制造出来的有机物。作为新能源的生物质,当然不是要我们走砍柴烧火的老路,而是着眼于对生物质进行精炼,将其转化为性能更高的液体或者气体燃料。在这一过程中,我们还可以获取其它原本需要从化石燃料中提炼的重要化工原料,可谓一举两得。
  目前,不少通过生物质精炼来获取燃料、或者化工原料的工艺已经相当成熟。例如糖类经微生物发酵后得到的乙醇,不仅能按照一定比例添加入汽油中作为汽车燃料使用,还可以与动植物油脂反应,得到能够替代柴油的生物柴油。乙醇还可以作为许多化工产品的原料,例如将其脱水后就得到乙烯,可以合成重要的塑料聚乙烯。
  然而,这些方法虽然行之有效,但其利用的对象主要是淀粉、糖、油脂等来自农产品的生物质,因此不可避免地要与粮食生产争夺土地。在全世界仍然有九分之一的人口未能摆脱饥饿的情况下,这些利用生物质能源的手段难免遭人诟病。因此,不少领域内科研人员认为,生物质能源要想真正发展,必须将利用对象转移到木质纤维素生物质。
  所谓木质纤维素生物质,指的是由纤维素、半纤维素和木质素这三种天然高分子化合物组成的生物质,它们构成了绿色植物的主干,可以说是植物生物质的代名词。木质纤维素生物质不仅储量丰富,而且它们不能被人体消化吸收。因此,如果把生物质能源的原料从农作物转换到木质纤维素,不仅可以大大减轻对农业生产的依赖,而且还可以帮助消化农产品加工的废料,例如秸秆、甘蔗渣等。而迈出这一步转换在理论上也并不困难:纤维素可以通过化学或者生物手段水解为葡萄糖,只要这一步做好了,我们就可以将取之不尽用之不竭的木质纤维素资源与成熟的生物质能源技术实现完美对接。
  然而在实践中,正是纤维素水解这至关重要的第一步,让研究人员颇为头疼。由于分子间强烈的氢键,纤维素会形成致密的晶体,这使得它们无法溶解于大多数溶剂。如果不能形成溶液,纤维素的水解就很难高效地进行。幸运的是,近年来研究人员发现,许多离子液体可以通过破坏纤维素分子之间的氢键来溶解一定比例的纤维素,一些离子液体甚至可以将整个木质纤维素生物质悉数吞下。一旦形成了溶液,我们就有可能对纤维素进行进一步的处理,从而更好地利用大自然赋予我们的宝库。

某种离子液体(左)能够溶解山毛榉木材的粉末(中),形成均匀的溶液(右)(图片来源:Michael Zavrel et al., Bioresource Technology, 2009)  离子液体不仅可以帮助我们更好地利用生物质,还有可能在另一项与能源有关的应用中大显身手,那就是如今几乎人人都离不开的锂离子电池。
  让锂离子电池更安全
  2016年,著名手机制造商韩国三星公司的Note7手机在上市不久就多次发生充电时爆炸的事故,不仅给用户带来财产损失,还导致各国航空公司出于安全考虑对三星Note 7手机颁布“禁令”,一时成为轰动新闻。这一系列事故的罪魁祸首,正是手机使用的锂离子电池。
  其实,这并不是锂离子电池第一次“惹是生非”。在2006年,日本电子产品制造商索尼公司生产的锂离子电池就曾因为存在安全隐患,导致大量笔记本电脑被厂商召回。还有今年特斯拉电动汽车发生的多次自燃事故,也被怀疑与汽车使用的锂离子电池有关。
  锂离子电池的安全事故频发,要归咎于它的“软肋”——电解质。当锂离子电池放电时,原本镶嵌在电池负极(通常为石墨)中的锂离子脱嵌出来向正极(通常为钴锂氧化物、磷酸锂铁等含锂化合物)移动;而当电池充电时,上述过程便反了过来,锂离子从正极移向负极并重新嵌入石墨中。为了保证锂离子电池能够正常工作,我们需要提供一个液体介质,让锂离子能够在两个电极间自由移动,这个媒介就是电解质。不仅是锂离子电池,其它类型的电池同样离不开电解质这一关键组成部分。

锂离子电池的工作原理(图片来源:Noshin Omar et al. Energies, 2012)  注:Charge mechanism -充电机理;discharge mechanism -放电机理;charger -充电器;load -负载;electrons -电子;current -电流;electrolyte -电解质;anode -阳极(电池放电时为负极);cathode -阴极(电池放电时为正极);separator -隔膜
  最常被用作电池电解质的,是离子化合物的水溶液。例如最常见的一次性碳锌干电池使用的电解质,是氯化铵或者氯化锌溶于水形成的糊状物;而一次性碱性电池的电解质则是氢氧化钾这种强碱的水溶液,这也就是这种电池得名碱性电池的原因。
  那么以此类推,只要将锂盐溶于水,我们不就可以得到锂离子电池的电解质了吗?很不幸,这个通常情况下屡试不爽的方法,在这里却是行不通的,这是由于锂离子电池的工作电压太高,足以将水电解成氢气和氧气。因此在锂离子电池中,我们只能用有机溶剂来代替水去溶解锂盐。然而这些有机溶剂虽然不会被电解,却具有易燃的缺点。一旦锂离子电池发生故障,有机溶剂被点燃,其后果自然不堪设想。
  尽管锂离子电池屡屡发生安全事故,但我们还是不得不依赖它,这是因为锂离子电池具有可反复充电、能量密度大等优势,在手机、笔记本电脑等便携式电子设备中,现有其他类型的电池还真的无法胜任。特别是随着锂离子电池用于电动汽车等新型交通工具,以及与太阳能、风能配套的储能设备,其应用范围还将进一步扩展。因此,提高锂离子电池的安全性刻不容缓。
  既然锂离子电池安全隐患的根源是电解质中易燃的有机溶剂,我们能否用不会燃烧的溶剂来替代它呢?刚才提到,用水溶液做电解质是行不通的,那么剩下的选择自然就是离子液体了。而事实上,离子液体也确实没有辜负科学家们的期待。
  2010年来自加拿大的一项研究表明,如果向传统的锂离子电池电解液中加入质量分数为40%的离子液体,电池的性能并没有受到明显的影响,但电解液的易燃性显著降低,即便面对明晃晃的火焰也不会燃烧。有了这样的电解质,锂离子电池的安全隐患或许将彻底成为历史。

  向常用于锂离子电池电解质的有机溶剂中添加40%的离子液体后,溶剂就变得不再易燃,从而大大提高了锂离子电池的安全性。(图片来源:A. Guerfi et al. Journal of Power Sources, 2010)
  不过,离子液体虽然在许多领域都显示出了独特的优势,但相当一部分与之有关的应用仍然停留在实验室研究阶段。这背后的原因虽然多种多样,不过有几个颇具共性的“拦路虎”值得注意。
  首先,与传统的溶剂相比,离子液体还是贵了点儿。据估算,目前离子液体的价格在每公斤20美元左右,如果要想用离子液体取代传统的有机溶剂,其价格至少应该降至每公斤2.5美元左右,才会让习惯了精打细算的生产者觉得有利可图;
  其次,许多离子液体虽然在室温下是液体,但黏度较高,流动性比起传统有机溶剂差了一大截,这就可能给生产和使用过程带来诸多不便。
  第三,早期开发的离子液体大多容易吸湿,这在很多场合也是个麻烦事。例如许多离子液体虽然是纤维素的良好溶剂,但其中一旦混入了少量的水分,对纤维素的溶解能力就会直线下降;另外,一些离子液体,例如前面提到的六氟磷酸盐,一旦遇水就会分解,释放出剧毒的氢氟酸,对使用者的人身安全是严重的威胁。如果离子液体的使用必须在极度干燥的条件下进行,也会让它们自身的优势大打折扣。除此之外,离子液体使用后如何回收再利用,以及如何降低某些离子液体的毒性,都是值得注意的问题。
  毋庸置疑,离子液体今后的发展道路上仍然有许多难关需要克服。不过,几十年的实践告诉我们,这些会流动的盐的确可谓是前途无量。不断发展进步的离子液体,必将给我们带来更加绿色环保的生活。
  (本文中图片来自公共版权与学术论文,均已标明来源)
  原标题:利用生物质 改进锂电池 绿色生活未来都要靠它实现
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