【2017年整理】探寻“锂离子动力电池之后的新电动汽车动力电池”.docVIP

探寻“锂离子动力电池之后的新电动汽车动力电池” (一)：让能量密度达到“7倍” 与现有锂离子充电电池相比，重量能量密度提高约7倍，成本降至1/40。这是日本经济产业省提出的电动汽车（EV）用电池的性能目标。 这是在日本经济产业省2006年8月的研究会上发表的《对新一代汽车电池的建议》报告中提出的2030年目标值。报告发表已有3年，作为电池发展的路线图，至今依然受到重视。 “7倍”的能量密度的确很有必要。从2009年推出的EV来看，在持续行驶距离上，三菱汽车的“i MiEV”为160km，富士重工业的“斯巴鲁插电式STELLA”为80km。按照“在城市内使用”的预期，在EV刚刚开始导入的2009年，这样的性能还算说得过去。但今后要想整体取代汽油车的话，这样的性能明显实力不足。 能量密度提高至目前“7倍”的电池，至少不会是现在的锂离子充电电池。只要使用的是LiC6（嵌锂石墨）负极、LiCoO2（钴酸锂）或LiMn2O4（锰酸锂）正极，以及电解质（有机溶媒）这样的“三角组合”，无论怎么改进，都摆脱不了材料本身的束缚。上述三类材料均存在理论上的极限，所以性能无望获得飞跃性提高。 为了突破这一障碍，开发超越锂离子充电电池极限的电池的有关研究正在推进之中。目的是打破三角组合中的一角，使性能大幅提高。具体的做法包括使用离子液体的锂离子充电电池、全固体型锂离子充电电池，以及锂-空气电池等。 目前，开发上述电池的有日本大阪府立大学、关西大学、产业技术综合研究所、电力中央研究所等研究机构。企业还不是主角。 不过，有众多汽车厂商向这些研究机构发出了合作意向。其中，丰田汽车宣布，已经着手与大阪府立大学展开共同研究。 在目前的锂离子充电电池中，种种问题的根源均来自电解质使用的有机溶媒。有机溶媒容易着火或泄漏。虽然锂本身着火的话也很危险，但有机溶媒有可能引发大事故。 另外，只要有溶媒存在，就会“稀释”电解质。而进行工作的是离子，因此多余的溶媒会给工作造成障碍，从而拖累性能指标，使能量密度难以达到“7倍”。 (二)：用离子液体让电池工作 要弃用有机溶媒，第一途径就是将电解质改为离子液体。关西大学化学生命工学部化学及物质工学系教授石川正司展开了将离子液体应用于锂离子充电电池的研究，宣布要对电解质等各项要素逐一进行分析，为此已联手第一工业制药、Elec Cell等公司，验证包括正极在内的各关键要素，确认电池工作性能（图1）。可以说，在使用离子液体的电池方面，这是首例有关工作验证的发表。 图1 这里所说的离子液体是一种常温液相盐，也就是低融点的盐（图2）。由于为100%离子状态，因此可充分发挥电解质作用。 ????????????????????????????????????????????????????????? 图2 普通的盐，比如NaCl，在高温下也会溶化。但其融点高达801℃，并不实用。常温下液相的盐在自然界并不存在，只能人工制造。 此前曾有数项“此类物质容易形成离子液体”的学说被提出来过。在构成盐的正、负离子的组合中，迄今最被看好的负离子是名为TFSI（Tri Fluoro Methyl Sulfonyl Imide）的物质，但这种物质并不具备能够供电池使用的特性。 另一种学说认为，“电荷密度高的物质容易出现结晶，难以形成离子液体”。这种看法的原因在于，电荷密度一高，通过电荷的作用会使相邻离子结合，变得不再是离子。在电荷相同的情况下，离子越大，电荷密度就越小，越容易用于制备离子液体。而Na+、Cl-等单原子的离子较小，电荷密度较大，因此不适于该用途。 根据上述学说，TFSI便被业内看好。从结构来看，TFSI的中央带有N，两侧带有S，并且外侧带有CF3（图3）。在此省略对该物质的化学特性的详细说明，但要提到一点是，F拉动电荷的力量较大。由于电荷整体为1，因此可近似地认为中央的N存在电荷，不过，就概率而言，两侧的CF3也存在部分电荷。所以，电荷不会集中到中央，电荷密度由此下降。 （三）：找到了可用作电解质的“盐” 石川预测，一种名为FSI（Fluoro Sulfonyl Imide）的负离子有望成为替代TFSI的物质。这种物质与TFSI不同，左右两侧带有的并非是CF3，而是F（图4）。F比CF3小，因此减小了整体大小。如上所述，离子小的话，电荷密度就会变大，容易形成结晶，但这种程度大小的离子，越小粘性就越容易降低，效果就越好。原因是离子液体是通过离子抵抗液体本身的粘性进行运动来推动电荷的。 上面一直在说负离子，其实正离子也有多种选择。比如，可以使用名为EMI（1-ethyl-3-methylimidazolium）的物质。在融点方面，使用TFSI的盐为-18℃，使用FSI的盐为-12.9℃，实际应用时没有大的差别。而25℃下的