資源描述：
《探尋“鋰離子動力電池之后的新電動汽車動力電池”》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、探尋“鋰離子動力電池之后的新電動汽車動力電池”(一)：讓能量密度達(dá)到“7倍”與現(xiàn)有鋰離子充電電池相比，重量能量密度提高約7倍，成本降至1/40。這是日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省提出的電動汽車（EV）用電池的性能目標(biāo)。這是在日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省2006年8月的研究會上發(fā)表的《對新一代汽車電池的建議》報告中提出的2030年目標(biāo)值。報告發(fā)表已有3年，作為電池發(fā)展的路線圖，至今依然受到重視。“7倍”的能量密度的確很有必要。從2009年推出的EV來看，在持續(xù)行駛距離上，三菱汽車的“iMiEV”為160km，富士重工業(yè)的“斯巴魯插電式STELLA”為80km。按照“在城市內(nèi)使用”的預(yù)期，在EV
2、剛剛開始導(dǎo)入的2009年，這樣的性能還算說得過去。但今后要想整體取代汽油車的話，這樣的性能明顯實力不足。能量密度提高至目前“7倍”的電池，至少不會是現(xiàn)在的鋰離子充電電池。只要使用的是LiC6（嵌鋰石墨）負(fù)極、LiCoO2（鈷酸鋰）或LiMn2O4（錳酸鋰）正極，以及電解質(zhì)（有機溶媒）這樣的“三角組合”，無論怎么改進(jìn)，都擺脫不了材料本身的束縛。上述三類材料均存在理論上的極限，所以性能無望獲得飛躍性提高。為了突破這一障礙，開發(fā)超越鋰離子充電電池極限的電池的有關(guān)研究正在推進(jìn)之中。目的是打破三角組合中的一角，使性能大幅提高。具體的做法包括使用離子液體的鋰離子充電電池、全
3、固體型鋰離子充電電池，以及鋰-空氣電池等。目前，開發(fā)上述電池的有日本大阪府立大學(xué)、關(guān)西大學(xué)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、電力中央研究所等研究機構(gòu)。企業(yè)還不是主角。不過，有眾多汽車廠商向這些研究機構(gòu)發(fā)出了合作意向。其中，豐田汽車宣布，已經(jīng)著手與大阪府立大學(xué)展開共同研究。在目前的鋰離子充電電池中，種種問題的根源均來自電解質(zhì)使用的有機溶媒。有機溶媒容易著火或泄漏。雖然鋰本身著火的話也很危險，但有機溶媒有可能引發(fā)大事故。另外，只要有溶媒存在，就會“稀釋”電解質(zhì)。而進(jìn)行工作的是離子，因此多余的溶媒會給工作造成障礙，從而拖累性能指標(biāo)，使能量密度難以達(dá)到“7倍”。(二)：用離子液體讓
4、電池工作要棄用有機溶媒，第一途徑就是將電解質(zhì)改為離子液體。關(guān)西大學(xué)化學(xué)生命工學(xué)部化學(xué)及物質(zhì)工學(xué)系教授石川正司展開了將離子液體應(yīng)用于鋰離子充電電池的研究，宣布要對電解質(zhì)等各項要素逐一進(jìn)行分析，為此已聯(lián)手第一工業(yè)制藥、ElecCell等公司，驗證包括正極在內(nèi)的各關(guān)鍵要素，確認(rèn)電池工作性能（圖1）?？梢哉f，在使用離子液體的電池方面，這是首例有關(guān)工作驗證的發(fā)表。圖1這里所說的離子液體是一種常溫液相鹽，也就是低融點的鹽（圖2）。由于為100%離子狀態(tài)，因此可充分發(fā)揮電解質(zhì)作用。????????????????????????????????????????????????
5、?????????圖2普通的鹽，比如NaCl，在高溫下也會溶化。但其融點高達(dá)801℃，并不實用。常溫下液相的鹽在自然界并不存在，只能人工制造。此前曾有數(shù)項“此類物質(zhì)容易形成離子液體”的學(xué)說被提出來過。在構(gòu)成鹽的正、負(fù)離子的組合中，迄今最被看好的負(fù)離子是名為TFSI（TriFluoroMethylSulfonylImide）的物質(zhì)，但這種物質(zhì)并不具備能夠供電池使用的特性。另一種學(xué)說認(rèn)為，“電荷密度高的物質(zhì)容易出現(xiàn)結(jié)晶，難以形成離子液體”。這種看法的原因在于，電荷密度一高，通過電荷的作用會使相鄰離子結(jié)合，變得不再是離子。在電荷相同的情況下，離子越大，電荷密度就越小，
6、越容易用于制備離子液體。而Na+、Cl-等單原子的離子較小，電荷密度較大，因此不適于該用途。根據(jù)上述學(xué)說，TFSI便被業(yè)內(nèi)看好。從結(jié)構(gòu)來看，TFSI的中央帶有N，兩側(cè)帶有S，并且外側(cè)帶有CF3（圖3）。在此省略對該物質(zhì)的化學(xué)特性的詳細(xì)說明，但要提到一點是，F(xiàn)拉動電荷的力量較大。由于電荷整體為1，因此可近似地認(rèn)為中央的N存在電荷，不過，就概率而言，兩側(cè)的CF3也存在部分電荷。所以，電荷不會集中到中央，電荷密度由此下降。（三）：找到了可用作電解質(zhì)的“鹽”石川預(yù)測，一種名為FSI（FluoroSulfonylImide）的負(fù)離子有望成為替代TFSI的物質(zhì)。這種物質(zhì)與T
7、FSI不同，左右兩側(cè)帶有的并非是CF3，而是F（圖4）。F比CF3小，因此減小了整體大小。如上所述，離子小的話，電荷密度就會變大，容易形成結(jié)晶，但這種程度大小的離子，越小粘性就越容易降低，效果就越好。原因是離子液體是通過離子抵抗液體本身的粘性進(jìn)行運動來推動電荷的。上面一直在說負(fù)離子，其實正離子也有多種選擇。比如，可以使用名為EMI（1-ethyl-3-methylimidazolium）的物質(zhì)。在融點方面，使用TFSI的鹽為-18℃，使用FSI的鹽為-12.9℃，實際應(yīng)用時沒有大的差別。而25℃下的粘性不同，F(xiàn)SI從32.6mPa？s降至17.9mPa？s，降低
8、了約一半。而且，F(xiàn)SI用
