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离子液体的“电化学窗口”

因为离子液体完全由离子组成，而且在常温下就是液态，所以本身就可以导电，具有优良的电化学性能。而通常的分子溶剂（例如水），需要通过溶解等手段向体系中加入电解质才能导电。

电化学窗口，就是离子液体开始发生氧化反应的电位和开始发生还原反应的电位之间的差值。在电化学窗口之内，阴、阳离子不会发生氧化还原反应，所以离子液体不会发生变化，是稳定的。大部分离子液体的电化学窗口为4伏左右，与一般有机溶剂相比是较宽的，也大于水的电化学窗口（1.229伏），这也是离子液体电化学应用的优势之一。研究发现，有些离子液体的电化学窗口甚至能高达十几伏。

离子液体应用广泛

2003年3月，德国巴斯夫（BASF）公司开发的离子液体脱酸技术“BASIL工艺”问世，这是国际首例基于离子液体的工业应用。在一种化工产品烷氧基膦的生产过程中，采用1-甲基咪唑这种化合物作为酸的捕获剂，反应生成的是一种离子液体（氯化1-甲基-3-氢咪唑盐）与希望得到的产物（烷氧基膦）。二者就像水和油一样可以分成清晰的两相，这样，简单地将两种液体分离就可以得到纯的产物。而传统工艺则是采用三乙胺作为酸的捕获剂，胺和酸中和形成固体盐引起了反应物混合、传热以及分离等一系列工业上的难题，生产过程中需要使用大量的有机溶剂，而且设备复杂。基于离子液体的新工艺避免了这些难题，将生产的时空收率（即单位时间单位体积内的产量）提高了8万倍。由此，推动了离子液体在工业中的应用。

离子液体的应用十分广泛，下面我们就通过几个典型实例来看一看。

在电化学领域大展身手

电化学是离子液体最先应用的领域。电化学研究的是物质的界面上所发生的与电子转移有关的现象。例如电池、电镀、腐蚀等，都属于电化学的研究领域。

追本溯源，离子液体的兴起正是从寻找温和条件下的电解质开始的。作为新一代电解质材料，离子液体已逐渐在二次电池（即充电电池）、超级电容器、燃料电池、太阳能电池、金属电沉积（电镀）、电解等方面得到了一系列的应用研究。

锂电池作为新一代的储能技术，受到了广泛关注。电解液作为锂电池的重要组成部分，在电池正负极之间起着输送和传导电流的作用，是连接正负极材料的桥梁，影响着电池的很多重要性能，如比能量（即单位重量的电池所能提供的电能）、安全性、倍率性（表示放电电流的大小）、储存性和造价等。

目前商品化的锂电池采用的都是锂盐与碳酸酯类等有机溶剂组成的混合电解液，此类有机溶剂的缺点是沸点低、易挥发、易燃，使得锂离子电池在使用过程中易出现鼓胀、高温性能差、安全性能低等问题。这种电解液用于电动车等使用的高功率电池中，更存在着安全隐患，如果使用不当或者环境恶劣就可能导致电池爆炸。解决这个问题的一个办法是改用高沸点的溶剂，但这类溶剂在室温时一般黏度很高，甚至为固态，在温度较低时会有盐析出，使得电解液中离子浓度显著下降，充放电性能变差。

而离子液体挥发性低、电化学窗口宽、不易燃烧、溶解能力强，在离子液体中加入适当的锂盐作为锂二次电池的电解液，可以有效提高电池的安全性。这种电解液既保持了离子液体的低挥发等特性，又可以通过功能设计，提高电解液整体的电化学性能，满足锂二次电池电解液的绿色环保需求，从而改善动力型锂离子电池的安全性能和寿命。

离子液体在电化学中的另一个重要应用，是作为金属电沉积（电镀)/电解中的电解质。传统的电镀工业采用水溶液、有机溶剂以及熔融盐等作为电解液，但是一些金属在水中比较活跃，难以得到，熔盐则温度较高且腐蚀性强，有机溶剂又易挥发、易燃。而离子液体具有热稳定性、不挥发、不易燃、导电率高、电化学窗口宽等特点，很好地克服了水溶液、熔盐和有机溶剂的缺点，而兼具它们的一些优点。在水溶液体系中可以得到的金属，多数在离子液体中也可以得到，而且由于沉积中不会产生氢气，产物的质量和纯度更好。离子液体的电化学窗口可达4伏以上，在室温下就可以得到许多在水溶液沉积中无法得到的轻金属、难熔金属、合金及半导体材料。目前已报道的离子液体沉积的金属有铝、钛、铜、银、镁、锰、锌、镓、锗等。

电解铝也是离子液体可以大显身手的一个领域。电解铝就是通过电解的方法制造金属铝。目前我国主要采用的是冰晶石-氧化铝高温电解法，也就是将氧化铝在950℃左右的高温下溶解在熔融冰晶石中，然后通4伏左右的直流电电解，获得液态铝。当前比较先进的“预焙阳极电解铝工艺”的能耗为每千克铝13千瓦时左右（也就是每生产1千克铝，大约耗电13度），仍然远高于理论能耗每千克铝6.32千瓦时。能量利用率难以提高，是因为要用50%以上的电能来维持电解的高温条件，所以电解铝企业都是能耗巨大的“电老虎”。我国电解铝所耗电能约占有色金属冶炼总耗电量的70%，占全国发电量的6% 。

如果采用离子液体电解质，电解温度就可以从近千度降至约150℃，从而显著降低能耗，而且氯气循环利用故没有废气排放。据报道，使用离子液体可将炼铝用电节省20％～30％，节能潜力非常巨大。

锂离子电池工作原理图

充电时，锂离子从正极脱出，经过电解液嵌入到负极材料中；放电时，锂离子从负极脱出，经过电解液嵌入到正极材料中。图中正负极之间为电解液，使用的是离子液体，提高了安全性。

（本文发表于《科学世界》2013年第12期）