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）
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