生物质能利用生物质，改进锂电池，看看它是如何变废为宝的。

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此前:在本文前半部分，我们介绍了离子液体的基本概念——室温或略高于室温的液体中的离子化合物，以及它的重要用途，即作为更安全、更环保的溶剂。在后半部分，我们将进一步了解与我们生活密切相关的离子液体的潜在应用。

打开生物质宝库的金钥匙

我们知道石油、煤炭、天然气等化石燃料已经成为现代社会赖以生存的基础之一。然而，随着化石燃料的逐渐枯竭和燃烧化石燃料排放二氧化碳导致的全球变暖，人们不得不寻找更可持续的新能源。公开地多可可再生能源包括生物质，即地球上各种生物产生的有机物。生物质作为一种新能源，当然不希望我们走劈柴烧火的老路，而是着眼于将生物质提炼转化为性能更高的液体或气体燃料。在这个过程中，我们还可以获得其他需要从化石燃料中提取的重要化工原料，一举两得。

目前很多通过生物质炼制获得燃料或化工原料的技术已经相当成熟。例如，通过微生物发酵糖得到的乙醇，不仅可以按一定比例添加到汽油中作为汽车燃料，还可以与动植物油反应，得到可以替代柴油的生物柴油。乙醇还可以作为许多化工产品的原料，例如脱水后可以得到乙烯，还可以合成重要的塑料聚乙烯。

然而，这些方法虽然有效，但它们主要使用来自淀粉、糖和油等农产品的生物质，因此不可避免地要与粮食生产争夺土地。在全球九分之一的人口仍无法摆脱饥饿的情况下，这些利用生物质能的手段必然会受到批评。因此，许多领域的研究者认为，要真正开发生物质能源，必须将利用对象转移到木质纤维素类生物质上。

所谓木质纤维素生物质，是指由纤维素、半纤维素和木质素组成的生物质，它们构成了绿色植物的主干，可以说是植物生物质的代名词。木质纤维素生物质不仅储量丰富，而且不能被人体消化吸收。因此，如果生物质能源的原料由农作物转化为木质纤维素，不仅可以大大降低对农业生产的依赖，而且有助于消化农产品加工的废弃物，如秸秆、蔗渣等。理论上迈出这一步并不难:纤维素可以通过化学或生物手段水解成葡萄糖。只要做到这一步，就可以将取之不尽的木质纤维素资源与成熟的生物质能技术完美对接。

然而，在实践中，让研究人员头疼的是纤维素水解这一至关重要的第一步。由于分子间的强氢键，纤维素会形成致密的晶体，使其不溶于大多数溶剂。如果不能形成溶液，则难以有效水解纤维素。幸运的是，近年来研究人员发现，许多离子液体可以通过破坏纤维素分子之间的氢键来溶解一定比例的纤维素，有些离子液体甚至可以吞噬整个木质纤维素生物质。一旦溶液形成，我们就有可能进一步处理纤维素，从而更好地利用大自然赋予的宝库。

一种离子液体(左)可以溶解榉木粉(中)，形成均匀的溶液(右)。

离子液体不仅可以帮助我们更好地利用生物质，还可以在另一个与能源相关的应用中发挥重要作用，即锂离子电池，这是当今几乎每个人都不可或缺的。

让锂离子电池更安全。

2016年，韩国著名手机厂商三星。公司上市不久，Note 7手机在充电过程中多次发生爆炸，不仅给用户带来财产损失，还造成各国航空。公司出于安全考虑，三星Note 7手机“禁售”一时间成为轰动新闻。这一系列事故的罪魁祸首是手机使用的锂离子电池。

事实上，这已经不是锂离子电池第一次惹麻烦了。2006年，日本电子产品制造商索尼公司生产出来的锂离子电池导致大量笔记本电脑被厂家召回，原因是存在安全隐患。今年特斯拉电动车也发生多起自燃事故，也疑似与汽车使用的锂离子电池有关。

锂离子电池频频发生的安全事故都归咎于它的“软肋”——电解液。锂离子电池放电时，原本嵌在电池负极(通常是石墨)中的锂离子出来，向正极(通常是锂钴氧化物、磷酸铁锂等含锂化合物)移动。当电池充电时，上述过程相反，锂离子从正极移动到负极，重新嵌入石墨中。为了保证锂离子电池的正常工作，我们需要提供一种液体介质，使锂离子可以在两个电极之间自由移动。这种介质是电解质。不仅是锂离子电池，其他类型的电池都离不开电解液这一关键成分。

锂离子电池的工作原理

电池最常用的电解质是离子化合物的水溶液。例如，最常见的一次性碳锌干电池所用的电解液是氯化铵或氯化锌溶于水形成的糊状物；一次性碱性电池的电解液是氢氧化钾水溶液，这也是这种电池被命名为碱性电池的原因。

所以以此类推，只要把锂盐溶于水，就不能得到锂离子电池的电解液吗？遗憾的是，这种屡试不爽的方法在这里并不可行，因为锂离子电池的工作电压太高，无法将水电解成氢气和氧气。所以在锂离子电池中，我们只能用有机溶剂代替水来溶解锂盐。然而，虽然这些有机溶剂不会被电解，但它们是易燃的。一旦锂离子电池失效，有机溶剂被点燃，后果自然不堪设想。

尽管锂离子电池安全事故频发，但我们还是要依赖它。这是因为锂离子电池具有可充电和高能量密度的优点。在手机、笔记本电脑等便携式电子设备中，其他类型的电池实在是无能为力。特别是随着锂离子电池在电动车等新型车辆上的应用，以及与太阳能、风能相匹配的储能设备，其应用范围将进一步扩大。因此，提高锂离子电池的安全性迫在眉睫。

既然锂离子电池安全隐患的根源是电解液中的可燃有机溶剂，那么我们是否可以用不可燃的溶剂来代替呢？就像刚才说的，用水溶液做电解质是不可行的，所以剩下的选择自然是离子液体。事实上，离子液体并没有辜负科学家的期望。

2010年来自加拿大的一项研究表明，如果在传统的锂离子电池电解液中加入40%的离子液体，电池的性能不会受到明显影响，但电解液的可燃性明显降低，即使面对明亮的火焰也不会燃烧。有了这样的电解液，锂离子电池的安全隐患可能会彻底成为历史。

▲在锂离子电池电解液中常用的有机溶剂中加入40%的离子液体，溶剂变得不再易燃，从而大大提高了锂离子电池的安全性。

然而，尽管离子液体在许多领域显示出独特的优势，但相当多的相关应用仍停留在实验室研究阶段。虽然这背后有各种各样的原因，但有几个常见的“障碍”值得关注。

首先，与传统溶剂相比，离子液体还是有点贵。据估计，目前的离子液体价格每公斤大约20美元，如果我们想用离子液体代替传统的有机溶剂价格至少应该降到每公斤2.5美元左右，让习惯于精打细算的生产者觉得有利可图；

其次，很多离子液体虽然在室温下是液体，但是粘度高，流动性比传统有机溶剂差很多，可能会给生产和使用带来很多不便。

再次，早期开发的离子液体大多容易吸潮，这在很多场合也是个麻烦。比如，虽然很多离子液体是纤维素的良好溶剂，但是一旦有少量的水混入其中，纤维素的溶解度就会直线下降；此外，一些离子液体，如上面提到的六氟磷酸盐，一旦遇水就会分解，释放出剧毒的氢氟酸，严重威胁使用者的人身安全。如果离子液体的使用必须在极其干燥的条件下进行，其本身的优势就会大打折扣。此外，如何回收使用后的离子液体，如何降低部分离子液体的毒性，都是值得关注的问题。

毫无疑问，离子液体未来的发展还有很多困难需要克服。但是，几十年的实践告诉我们，这些流动盐确实是有前途的。离子液体的不断发展和进步，必将带给我们更加绿色的生活。

(本文图片来自公共版权和学术论文，已标注出处。)

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