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下一代動力電池的希望:離子液體蓄電池解析

福彩快3害得我家破人亡 www.ldlqfd.com.cn 發布者:admin時間:2017-09-20瀏覽量: 1900

 離子液體是近年來新發展的一種新技術,世界各國都站在研發的起跑線上。所以,在進行研究時,比較容易出成果。目前,各國的研究機關都處于相關成分的摸索階段。在對各種成分進行組合,以找到各家有效的配比。本文就為大家來講講下一代動力電池的希望——離子液體解析。 一、形形色色的蓄電池相關事故 事例一 2013年1月7日,停放在美國波士頓國際機場的日本航空JA829J次航班發生火災,該航班由波音787型客機執飛?;鷦次ㄒ?87機上的輔助動力單元(APU,Auxiliary Power Unit)。 波音787是波音公司推出的最新型旅客機。采用大量復合材料,具有較低的燃料消耗率和污染物質排放量較少的特點。同時,客艙采用可以調節亮度和光色的LED照明、用電子方式調節透明度的大面積舷窗等新技術;具備了低噪音、低維護成本、高可靠度的機體設計以及以中型機體能夠執飛長距離航線的卓越性能。無論對于航空公司還是對于乘客,都是名副其實的與其機種名稱相稱的“夢想飛機(Dream liner)”。 經過美國國家運輸安全委員會(NTSB,National Transportation Safety Board)發表的中間調查報告,飛機輔助動力單元出現料嚴重的燒損??梢耘卸?,這次事故是因電池組過熱導致起火燃燒。 幸運的是,這次事故發生在地面,所以沒有造成更大的災難。同時,因為機體和電池組完整地保存下來,也為調查事故原因提供了充足的條件。 事例二 2015年4月26日,深圳某加電站內,因大巴車內的蓄電池組起火,大巴被燒成骨架。據《第一電動網》報道:事故直接原因是:車輛動力電池充滿電后,動力電池過充電72分鐘,過充電量58kWh,造成多個電池箱先后發生動力電池熱失控、電解液泄漏,引起短路,導致火災。 事例三 2015年7月22日凌晨,廈門某公交車停車場內發生火災。現場共有11輛公交車遭到火燒,其中有多部公交車幾乎燒成了骨架。據報道:起火原因為公交車尾部的電池組電氣故障引起自燃,11輛被火的公交車中有6輛為混合動力公交車。 從2010年開始,在國內新能源汽車相關事故中,因電池安全問題所導致的事故幾乎年年發生,在一定程度上引發了對于這一類新型汽車安全問題的擔憂。 據報道:在2015年4月26日舉行的北京市本年度第二期購車指標搖號活動中,新能源小客車指標申請數小于本期指標配額,無需搖號,直接配置。 二、蓄電池的軟肋 普通電池在放電時,陽極發生氧化反應,產生的電子通過外部電路導出,以電流的形式被人們利用;電流通過電路流向陰極,陰極獲得電子發生還原反應。 充電電池和普通電池不一樣之處在于,當外部的電壓高于電池所能提供的電壓時,電池內部的陽極和陰極會產生于放電時相反的反應,即陽極物質被還原,陰極物質被氧化,從而達到充電的效果。 在電池的電極發生氧化反應和還原反應的過程中,電解液提供了反應產生的離子通過的通道,因此在電池中起到重要的作用。 一般蓄電池中的電解液,可以使用水溶液或有機溶劑。但是,當蓄電池的種類為鋰離子蓄電池時,由于下列兩個主要原因,無法使用水溶液: 1、構成電極的主要物質(如鋰片等)會與水反應。而這一類的副反應如果過多,會加速電池容量的衰減; 2、水的理論分解電壓為1.23v,所以以水溶液為電解液體系的蓄電池最高電壓只能達到2.0v左右(如鉛酸蓄電池)。 因此,目前蓄電池中所使用的電解液,基本上是使用了有機溶劑。 可是,使用有機溶劑的蓄電池的最大弱點,就是容易燃燒。 目前蓄電池使用的有機溶劑都具有容易揮發的特性。在電池因某種原因發熱時,會加速有機溶劑的揮發,揮發產生的氣體容易燃燒,在滿足某些條件的情況下會引起爆炸。 這恐怕就是上述各種新能源汽車蓄電池發生燃燒事故的根源。 換句話說,如果能找到一種液體,不容易氣化,那么,就可以杜絕電池燃燒事故的發生。 從另一個角度我們可以看到:在大型車輛中使用的蓄電池,其發生故障的可能性是非常高的。 一塊普通電池??櫚墓娓裎?00AH/3.2V,如果用于驅動轎車,驅動電壓約為72-150伏特,大概需要組合20-30個這樣的電池???;而如果用于驅動公交大巴,驅動電壓約為200-500伏特,則需要組合70-170個這樣的電池???!即使每個電池??櫚暮細衤矢嘰?9.9%,由170塊電池組成的電池包其整體合格率也只有84%!換句話說,如果一個公交車隊保有100臺公交大巴,那么其中可能就有十幾臺是存在電池燃燒事故隱患的! 我們知道,目前人類在常溫下所經常接觸到的液體物質(不包括液體元素)只有兩種:水(及其溶液)和有機溶劑。而在上面的敘述中可以想像得到:如果局限于使用由這兩種液體制造的傳統電解液,蓄電池的發展已經遇到了瓶頸。三、發現了新型液體 在這種狀況下,一種新型液體——離子液體(Ionic Liquids)進入了研究者的視線。 離子液體是呈液態的鹽(化學分類上的“鹽”,有別于日常生活中的“食鹽”)。一般來講,在攝氏100度以下(也有攝氏150度以下的分類標注)為液態的鹽被稱為離子液體。其中,特別是在常溫常壓下處于液態的離子液體被稱為“常溫離子液體”(RTIL,RoomTemperatureIonicLiquid)。 實際上,離子液體在20世紀的50年代即被發現。但因當時并沒有找到安定性比較好的組合而被束之高閣。20世紀90年代,隨著高蓄電能力的蓄電池的開發,為找到新的更好的電解液,離子液體再次受到矚目。同時,隨著研究的深入,在各種各樣的樣本不斷產生的同時,離子液體的量產化技術也逐漸確立,而被稱為“夢幻般的新材料”。 通過改變離子液體的陰陽離子的組合,可以得到不同的離子液體。目前,從發表的論文看,約有1,300種左右。但在理論上,離子液體約有10^18種。 離子液體最大的特點在于,其本身具有許多水系溶劑和有機溶劑所沒有的優點: 1.離子液體具有較高的離子導電率; 2.在比較大的溫度范圍內(-30℃~+300℃)可以維持穩定的液體狀態,耐熱性很強; 3.具有較低的蒸汽壓,因而具有不易燃燒的特性; 4.一般的離子液體具有不揮發性,因此化學反應后的分離和再利用比較容易??梢雜美醋魑Х從Φ幕肪澄鎦駛虼呋?; 5.離子液體的黏度較低; 6.在某些陰陽離子組合下,離子液體無法與水或有機溶劑相互溶解。當將其混合時,會發生相分離。所以在有些場合,離子液體被稱為“第三種液體”。 從離子液體的種種特性來看,將其作為蓄電池的電解液,可以說是順理成章的。 四、國外在蓄電池用離子液體方面的研究 僅將蓄電池的電解液換成離子液體是不行的。一方面,離子液體的陰陽離子之間的化學鍵比較強,限制了電解液中的電荷移動;另一方面,在蓄電池的陽極和陰極表面會產生離子液體的分解反應,導致在電極和離子液體之間產生界面,同樣會妨礙電子的流動。其結果,和現在使用的鋰離子蓄電池相比,使用離子液體的蓄電池電能輸出密度(W/kg)較低,電池本身的性能也會降低。 針對這些問題,目前國外的對于離子液體的研究主要集中在以下幾個方面。 1.改變離子液體的電化學性質 離子液體的本質,是由非常復雜的陰陽離子構成的一種處于絕妙平衡狀態的液體物質。 所以,只要能夠保持平衡狀態不被破壞,就可以置換陰陽離子的某一部分,從而達到改變離子液體電化學特性的目的。 日本關西大學的石川正司教授在研究用來作為鋰離子蓄電池電解液的某種離子液體時,發現陰離子對鋰離子的吸引力非常大,以至于在離子液體中鋰離子幾乎無法移動。其結果,使用離子液體的鋰離子蓄電池完全無法發其功能。在這種情況下,石川教授將陰離子中原有的3個氟原子減少為1個,大大降低了陰離子對鋰離子的束縛力,成功地開發出了新型的鋰離子蓄電池。 

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