前情提要：在本文上半部分，我們介紹了離子液體的基本概念——在室溫或者略高于室溫的條件下處于液體的離子化合物，以及它的重要用途，即作為更加安全環(huán)保的溶劑。在下半部分，我們還將了解更多離子液體的潛在應(yīng)用，而這些應(yīng)用都與我們的生活密切相關(guān)。
出品：科普中國(guó)
制作：魏昕宇
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
打開生物質(zhì)寶庫(kù)的金鑰匙
我們知道，石油、煤炭、天然氣等化石燃料已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的根基之一。然而隨著化石燃料的日漸枯竭，以及燃燒化石燃料排放二氧化碳造成的全球氣候變暖等氣候問(wèn)題，人們不得不尋找更具有可持續(xù)性的新能源。而在眾多可再生能量來(lái)源中就包括了生物質(zhì)，即地球上各種生物制造出來(lái)的有機(jī)物。作為新能源的生物質(zhì)，當(dāng)然不是要我們走砍柴燒火的老路，而是著眼于對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行精煉，將其轉(zhuǎn)化為性能更高的液體或者氣體燃料。在這一過(guò)程中，我們還可以獲取其它原本需要從化石燃料中提煉的重要化工原料，可謂一舉兩得。
目前，不少通過(guò)生物質(zhì)精煉來(lái)獲取燃料、或者化工原料的工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟。例如糖類經(jīng)微生物發(fā)酵后得到的乙醇，不僅能按照一定比例添加入汽油中作為汽車燃料使用，還可以與動(dòng)植物油脂反應(yīng)，得到能夠替代柴油的生物柴油。乙醇還可以作為許多化工產(chǎn)品的原料，例如將其脫水后就得到乙烯，可以合成重要的塑料聚乙烯。
然而，這些方法雖然行之有效，但其利用的對(duì)象主要是淀粉、糖、油脂等來(lái)自農(nóng)產(chǎn)品的生物質(zhì)，因此不可避免地要與糧食生產(chǎn)爭(zhēng)奪土地。在全世界仍然有九分之一的人口未能擺脫饑餓的情況下，這些利用生物質(zhì)能源的手段難免遭人詬病。因此，不少領(lǐng)域內(nèi)科研人員認(rèn)為，生物質(zhì)能源要想真正發(fā)展，必須將利用對(duì)象轉(zhuǎn)移到木質(zhì)纖維素生物質(zhì)。
所謂木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，指的是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素這三種天然高分子化合物組成的生物質(zhì)，它們構(gòu)成了綠色植物的主干，可以說(shuō)是植物生物質(zhì)的代名詞。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)不僅儲(chǔ)量豐富，而且它們不能被人體消化吸收。因此，如果把生物質(zhì)能源的原料從農(nóng)作物轉(zhuǎn)換到木質(zhì)纖維素，不僅可以大大減輕對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的依賴，而且還可以幫助消化農(nóng)產(chǎn)品加工的廢料，例如秸稈、甘蔗渣等。而邁出這一步轉(zhuǎn)換在理論上也并不困難：纖維素可以通過(guò)化學(xué)或者生物手段水解為葡萄糖，只要這一步做好了，我們就可以將取之不盡用之不竭的木質(zhì)纖維素資源與成熟的生物質(zhì)能源技術(shù)實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接。
然而在實(shí)踐中，正是纖維素水解這至關(guān)重要的第一步，讓研究人員頗為頭疼。由于分子間強(qiáng)烈的氫鍵，纖維素會(huì)形成致密的晶體，這使得它們無(wú)法溶解于大多數(shù)溶劑。如果不能形成溶液，纖維素的水解就很難高效地進(jìn)行。幸運(yùn)的是，近年來(lái)研究人員發(fā)現(xiàn)，許多離子液體可以通過(guò)破壞纖維素分子之間的氫鍵來(lái)溶解一定比例的纖維素，一些離子液體甚至可以將整個(gè)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)悉數(shù)吞下。一旦形成了溶液，我們就有可能對(duì)纖維素進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而更好地利用大自然賦予我們的寶庫(kù)。
某種離子液體(左)能夠溶解山毛櫸木材的粉末(中)，形成均勻的溶液(右)
(圖片來(lái)源：Michael Zavrel et al., Bioresource Technology， 2009)
離子液體不僅可以幫助我們更好地利用生物質(zhì)，還有可能在另一項(xiàng)與能源有關(guān)的應(yīng)用中大顯身手，那就是如今幾乎人人都離不開的鋰離子電池。
讓鋰離子電池更安全
2016年，著名手機(jī)制造商韓國(guó)三星公司的Note7手機(jī)在上市不久就多次發(fā)生充電時(shí)爆炸的事故，不僅給用戶帶來(lái)財(cái)產(chǎn)損失，還導(dǎo)致各國(guó)航空公司出于安全考慮對(duì)三星Note 7手機(jī)頒布“禁令”，一時(shí)成為轟動(dòng)新聞。這一系列事故的罪魁禍?zhǔn)?，正是手機(jī)使用的鋰離子電池。
其實(shí)，這并不是鋰離子電池第一次“惹是生非”。在2006年，日本電子產(chǎn)品制造商索尼公司生產(chǎn)的鋰離子電池就曾因?yàn)榇嬖诎踩[患，導(dǎo)致大量筆記本電腦被廠商召回。還有今年特斯拉電動(dòng)汽車發(fā)生的多次自燃事故，也被懷疑與汽車使用的鋰離子電池有關(guān)。
鋰離子電池的安全事故頻發(fā)，要?dú)w咎于它的“軟肋”——電解質(zhì)。當(dāng)鋰離子電池放電時(shí)，原本鑲嵌在電池負(fù)極(通常為石墨)中的鋰離子脫嵌出來(lái)向正極(通常為鈷鋰氧化物、磷酸鋰鐵等含鋰化合物)移動(dòng)；而當(dāng)電池充電時(shí)，上述過(guò)程便反了過(guò)來(lái)，鋰離子從正極移向負(fù)極并重新嵌入石墨中。為了保證鋰離子電池能夠正常工作，我們需要提供一個(gè)液體介質(zhì)，讓鋰離子能夠在兩個(gè)電極間自由移動(dòng)，這個(gè)媒介就是電解質(zhì)。不僅是鋰離子電池，其它類型的電池同樣離不開電解質(zhì)這一關(guān)鍵組成部分。
鋰離子電池的工作原理
(圖片來(lái)源：Noshin Omar et al. Energies, 2012)
注：Charge mechanism -充電機(jī)理；discharge mechanism -放電機(jī)理；charger -充電器；load -負(fù)載；electrons -電子；current -電流；electrolyte -電解質(zhì)；anode -陽(yáng)極(電池放電時(shí)為負(fù)極)；cathode -陰極(電池放電時(shí)為正極)；separator -隔膜
最常被用作電池電解質(zhì)的，是離子化合物的水溶液。例如最常見(jiàn)的一次性碳鋅干電池使用的電解質(zhì)，是氯化銨或者氯化鋅溶于水形成的糊狀物；而一次性堿性電池的電解質(zhì)則是氫氧化鉀這種強(qiáng)堿的水溶液，這也就是這種電池得名堿性電池的原因。
那么以此類推，只要將鋰鹽溶于水，我們不就可以得到鋰離子電池的電解質(zhì)了嗎？很不幸，這個(gè)通常情況下屢試不爽的方法，在這里卻是行不通的，這是由于鋰離子電池的工作電壓太高，足以將水電解成氫氣和氧氣。因此在鋰離子電池中，我們只能用有機(jī)溶劑來(lái)代替水去溶解鋰鹽。然而這些有機(jī)溶劑雖然不會(huì)被電解，卻具有易燃的缺點(diǎn)。一旦鋰離子電池發(fā)生故障，有機(jī)溶劑被點(diǎn)燃，其后果自然不堪設(shè)想。
盡管鋰離子電池屢屢發(fā)生安全事故，但我們還是不得不依賴它，這是因?yàn)殇囯x子電池具有可反復(fù)充電、能量密度大等優(yōu)勢(shì)，在手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備中，現(xiàn)有其他類型的電池還真的無(wú)法勝任。特別是隨著鋰離子電池用于電動(dòng)汽車等新型交通工具，以及與太陽(yáng)能、風(fēng)能配套的儲(chǔ)能設(shè)備，其應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，提高鋰離子電池的安全性刻不容緩。
既然鋰離子電池安全隱患的根源是電解質(zhì)中易燃的有機(jī)溶劑，我們能否用不會(huì)燃燒的溶劑來(lái)替代它呢？剛才提到，用水溶液做電解質(zhì)是行不通的，那么剩下的選擇自然就是離子液體了。而事實(shí)上，離子液體也確實(shí)沒(méi)有辜負(fù)科學(xué)家們的期待。
2010年來(lái)自加拿大的一項(xiàng)研究表明，如果向傳統(tǒng)的鋰離子電池電解液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的離子液體，電池的性能并沒(méi)有受到明顯的影響，但電解液的易燃性顯著降低，即便面對(duì)明晃晃的火焰也不會(huì)燃燒。有了這樣的電解質(zhì)，鋰離子電池的安全隱患或許將徹底成為歷史。
向常用于鋰離子電池電解質(zhì)的有機(jī)溶劑中添加40%的離子液體后，溶劑就變得不再易燃，從而大大提高了鋰離子電池的安全性。(圖片來(lái)源：A. Guerfi et al. Journal of Power Sources, 2010)
不過(guò)，離子液體雖然在許多領(lǐng)域都顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但相當(dāng)一部分與之有關(guān)的應(yīng)用仍然停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。這背后的原因雖然多種多樣，不過(guò)有幾個(gè)頗具共性的“攔路虎”值得注意。
首先，與傳統(tǒng)的溶劑相比，離子液體還是貴了點(diǎn)兒。據(jù)估算，目前離子液體的價(jià)格在每公斤20美元左右，如果要想用離子液體取代傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑，其價(jià)格至少應(yīng)該降至每公斤2.5美元左右，才會(huì)讓習(xí)慣了精打細(xì)算的生產(chǎn)者覺(jué)得有利可圖；
其次，許多離子液體雖然在室溫下是液體，但黏度較高，流動(dòng)性比起傳統(tǒng)有機(jī)溶劑差了一大截，這就可能給生產(chǎn)和使用過(guò)程帶來(lái)諸多不便。
第三，早期開發(fā)的離子液體大多容易吸濕，這在很多場(chǎng)合也是個(gè)麻煩事。例如許多離子液體雖然是纖維素的良好溶劑，但其中一旦混入了少量的水分，對(duì)纖維素的溶解能力就會(huì)直線下降；另外，一些離子液體，例如前面提到的六氟磷酸鹽，一旦遇水就會(huì)分解，釋放出劇毒的氫氟酸，對(duì)使用者的人身安全是嚴(yán)重的威脅。如果離子液體的使用必須在極度干燥的條件下進(jìn)行，也會(huì)讓它們自身的優(yōu)勢(shì)大打折扣。除此之外，離子液體使用后如何回收再利用，以及如何降低某些離子液體的毒性，都是值得注意的問(wèn)題。
毋庸置疑，離子液體今后的發(fā)展道路上仍然有許多難關(guān)需要克服。不過(guò)，幾十年的實(shí)踐告訴我們，這些會(huì)流動(dòng)的鹽的確可謂是前途無(wú)量。不斷發(fā)展進(jìn)步的離子液體，必將給我們帶來(lái)更加綠色環(huán)保的生活。
(本文中圖片來(lái)自公共版權(quán)與學(xué)術(shù)論文，均已標(biāo)明來(lái)源)
原標(biāo)題：利用生物質(zhì) 改進(jìn)鋰電池 綠色生活未來(lái)都要靠它實(shí)現(xiàn)