利用生物质，改进锂电池，看它如何变废为宝

制作：魏昕宇

监制：中国科学院计算机网络信息中心

前情提要： 在本文上半部分，我们介绍了离子液体的基本概念——在室温或者略高于室温的条件下处于液体的离子化合物，以及它的重要用途，即作为更加安全环保的溶剂。在下半部分，我们还将了解更多离子液体的潜在应用，而这些应用都与我们的生活密切相关。

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运转的根基之一。然而随着化石燃料的日渐枯竭，以及燃烧化石燃料排放二氧化碳造成的全球气候变暖等气候问题，人们不得不寻找更具有可持续性的新能源。而在众多可再生能量来源中就包括了生物质，即地球上各种生物制造出来的有机物。作为新能源的生物质，当然不是要我们走砍柴烧火的老路，而是着眼于对生物质进行精炼，将其转化为性能更高的液体或者气体燃料。 在这一过程中，我们还可以获取其它原本需要从化石燃料中提炼的重要化工原料，可谓一举两得。

目前，不少通过生物质精炼来获取燃料、或者化工原料的工艺已经相当成熟。例如糖类经微生物发酵后得到的乙醇，不仅能按照一定比例添加入汽油中作为汽车燃料使用，还可以与动植物油脂反应，得到能够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，例如将其脱水后就得到乙烯，可以合成重要的塑料聚乙烯。

然而，这些方法虽然行之有效，但其利用的对象主要是淀粉、糖、油脂等来自农产品的生物质，因此不可避免地要与粮食生产争夺土地。 在全世界仍然有九分之一的人口未能摆脱饥饿的情况下，这些利用生物质能源的手段难免遭人诟病。因此，不少领域内科研人员认为，生物质能源要想真正发展，必须将利用对象转移到木质纤维素生物质。

所谓木质纤维素生物质，指的是由纤维素、半纤维素和木质素这三种天然高分子化合物组成的生物质，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，而且它们不能被人体消化吸收。因此，如果把生物质能源的原料从农作物转换到木质纤维素，不仅可以大大减轻对农业生产的依赖，而且还可以帮助消化农产品加工的废料，例如秸秆、甘蔗渣等。 而迈出这一步转换在理论上也并不困难：纤维素可以通过化学或者生物手段水解为葡萄糖，只要这一步做好了，我们就可以将取之不尽用之不竭的木质纤维素资源与成熟的生物质能源技术实现完美对接。

然而在实践中，正是纤维素水解这至关重要的第一步，让研究人员颇为头疼。由于分子间强烈的氢键，纤维素会形成致密的晶体，这使得它们无法溶解于大多数溶剂。如果不能形成溶液，纤维素的水解就很难高效地进行。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，一些离子液体甚至可以将整个木质纤维素生物质悉数吞下。 一旦形成了溶液，我们就有可能对纤维素进行进一步的处理，从而更好地利用大自然赋予我们的宝库。

某种离子液体（左）能够溶解山毛榉木材的粉末（中），形成均匀的溶液（右）

▲（图片来源：Michael Zavrel et al., Bioresource Technology， 2009）

离子液体不仅可以帮助我们更好地利用生物质，还有可能在另一项与能源有关的应用中大显身手，那就是如今几乎人人都离不开的锂离子电池。

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Note 7 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）

不过，离子液体虽然在许多领域都显示出了独特的优势，但相当一部分与之有关的应用仍然停留在实验室研究阶段。这背后的原因虽然多种多样，不过有几个颇具共性的"拦路虎"值得注意。

首先，与传统的溶剂相比，离子液体还是贵了点儿。 据估算，目前离子液体的价格在每公斤20美元左右，如果要想用离子液体取代传统的有机溶剂，其价格至少应该降至每公斤2.5美元左右，才会让习惯了精打细算的生产者觉得有利可图；

其次，许多离子液体虽然在室温下是液体，但黏度较高，流动性比起传统有机溶剂差了一大截，这就可能给生产和使用过程带来诸多不便 。

第三，早期开发的离子液体大多容易吸湿，这在很多场合也是个麻烦事。 例如许多离子液体虽然是纤维素的良好溶剂，但其中一旦混入了少量的水分，对纤维素的溶解能力就会直线下降；另外，一些离子液体，例如前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，对使用者的人身安全是严重的威胁。 如果离子液体的使用必须在极度干燥的条件下进行，也会让它们自身的优势大打折扣。除此之外，离子液体使用后如何回收再利用，以及如何降低某些离子液体的毒性，都是值得注意的问题。

毋庸置疑，离子液体今后的发展道路上仍然有许多难关需要克服。不过，几十年的实践告诉我们，这些会流动的盐的确可谓是前途无量。不断发展进步的离子液体，必将给我们带来更加绿色环保的生活。

（本文中图片来自公共版权与学术论文，均已标明来源）

严防电动汽车淘汰的废旧锂电池，二次利用到电动自行车上

近年来频频发生的电动自行车火灾、交通事故，引发了人们对电动车安全性能的拷问——那些穿梭于大街小巷的电动车，真的安全吗？如何从生产源头构建质量安全防线？

某知名电动自行车生产企业高管、资深技术专家陈林近日接受南都·奥一新闻记者专访时表示，随着电动自行车数量的急剧增加，管理滞后带来的安全隐患日益突显，尤其电池的管理成为影响电动自行车安全的“重中之重”。

他指出：目前市场上电动自行车采用的锂电池质量良莠不齐 ，少数不法商家为追逐利益，以次充好，或者为迎合消费者需求擅自改装等，存在较大安全隐患。

“锂电池有一个不可逆的缺点，就是在充放电（循环）的过程中会慢慢地产生锂析晶，当积累到一定量的时候，就可能会将锂电池里面的薄膜刺穿，造成电池内部短路，从而起火爆炸。”因此他建议：“对锂电池生产销售建立全流程的溯源管理，杜绝电动汽车使用后的锂电池流入市场（被循环使用）。”

在使用环节，他建议消费者三年更换一次电池 。“铅酸电池经过350个循环后会鼓包，无法放电，锂电池经过五六百个循环后容量下降。”他表示：“当发现容量下降的时候就可以换电池了。”

电动自行车为何频频“惹火”

“一台电动自行车燃烧产生的毒气足以使上百人窒息而亡。”来自消防部门的实验数据显示，电动自行车电池一旦短路，30秒内就会有明火出现；2分钟左右，车身遍布火苗；3分钟时，火焰温度高达1200℃，通常伴有大量浓烟，能见度基本为零，夺命仅需100秒。

电池故障是电动自行车起火主因。调查数据显示，有80%的电动车火灾是在充电时发生的，而电动车火灾致人员伤亡的，90%是因将其置于门厅或过道以及楼梯间等部位，人员在逃生时因吸入大量有毒烟气而导致伤亡。

数据显示，2021年全国共接报电动自行车及其电池故障引发的火灾近1.8万起，死亡57人，受伤近200人。

为何一辆小小的电动自行车，烧起来有那么大的杀伤力？陈林表示:“电动车着火，尤其是锂电池着火，火焰燃烧速度非常快，个人根本没有反应时间。”

在他看来，目前市场上电动自行车质量良莠不齐，存在极大火灾风险隐患。其次，不正确的充电方式也是造成电动自行车起火爆炸事故的另一重要因素。

图：广州市黄埔区城中村裕丰围，村民给电单车私自安装插座充电，奥一新闻拍摄

“用户私搭乱接电源电线充电现象十分普遍。”因城市公共区域、居民小区、公司单位等公共设施建设中缺乏规划并建设规范的电动自行车充电装置，电动自行车主通常自行其道，在自己家里、楼道口、地下停车场等，乱接乱搭电源电线充电，且没有专人看管，存在漏电、火灾等巨大安全隐患。

此外，目前不少城市缺乏电动自行车专用车道，人车争道，导致交通事故频发。谈及这一交通安全隐患时，陈林一针见血：“电动自行车通常是与普通自行车在一起行驶，但两者的速度、自重等相差较多，且电动自行车驾驶员不需要驾驶证，车主驾驶技术不一，导致电动自行车成了很多车祸事件的罪魁祸首。”

他认为：“在城市道路建设中，规划电动自行车、自行车专用车道，减少电动自行车进入人行道、机动车车道，杜绝人、车争路的局面。”同时，“要出台政策，采取政府出资或鼓励民间投资的方式，在机关、企、事业单位、居民小区建设电动自行车充电区域和充电设备，解决电动自行车私拉乱接电源电线充电问题。”

强制性重罚，杜绝“改装”

为满足对续航和速度的要求，不少电动自行车车主会非法加装改装电池。而近年来，擅自改装动力部件导致行车过程中电池线过载过热、引起自燃的事故不胜枚举。

在陈林看来，“改装”危害极大，不论是生产商还是销售商，一经发现“提供车辆改装服务或者是为车辆改装留有‘后门’”，必须要接受“强制性重罚。”

对于大部分电动自行车的车主来说，没有吃过超速的亏，很难意识到超速带来的危险。针对“个人改装行为”，陈林详细解释了其中的风险隐患：“电动自行车作为较简易的通行工具，属于非机动车，过高的车速，容易导致骑行者难以控制车辆，制动刹车困难，从而影响骑行者本身以及周围行人的人身及财产安全。此外，如果篡改限速会引起电机持续高功率工作、电池大电流输出等，这种高速工况持续长时间便会导致电池和电线发热引发燃烧。”

他举例说明：根据“新国标”要求，电动自行车蓄电池标称电压不超过48V。如果通过改动线路，使原本只能使用48V电池的电动自行车，更换为60V甚至是72V的超标电池，虽然在速度和续航上能有所提升，但由于在电动自行车进行电动机和蓄电池改装后，原有充放电线路可能不能满足大容量电池电流要求，大电流频繁充放电容易导致线路过热，加速线路老化，加大火灾隐患。

他建议：加强电动自行车销售和使用监督，严查销售、使用中改装超标准电动自行车行为。要将电动自行车销售纳入市场监管局重点监管目录，定期和不定期检查销售电动自行车店家，严厉查处其生产、销售和改装超标准电动自行车行为。同时，进一步强化交警和城管对电动自行车行驶监管责任，对私自改装超标准电动自动车、超速行驶、超载搭人、乱停乱放、私拉乱接电源电线充电等行为给予处罚。对私自改装的还应当倒查追究改装机构及相关人员责任。

被循环利用的电池安全吗？

电动车的核心部件之一，电池（尤其是锂电池）也是安全关注的一个焦点。在全国多发的电动车火灾中，由于锂电池质量引发的占大多数。电动车锂电池质量参差不齐，二手锂电池倒卖严重、以旧代新的现象悄然存在。无论是对车主的人身安全和财产安全以及公共安全，都造成极大的安全隐患。

2019年实施的新国标要求电动车限重55公斤，这就导致了质量更轻、续航里程更远的锂电池逐渐取代铅酸电池，成为电动车的主要动力来源。而市面上不少电动自行车的电池，则是来自于退役下来的新能源汽车的废旧锂电池。

作为电动自行车核心部件之一，电池的耐用性与安全性直接影响到车辆整体品质。“很多锂电池生产企业，‘管生不管养’，就导致了很多问题。”陈林表示，不同于铅酸电池，通过化学反应就可以将铅和酸分离出来，而锂电池的回收利用，则需要投入专业的人员与设备将里面的锂、钴等重金属解析出来，而这其中投入巨大，也产生不了利益。而这恰恰被不法商家看到了商机，他们把退役电池里面电芯拆解成可梯次利用的产品，用于电动自行车上或者是储能电源上。

将淘汰的汽车电池生产为电动自行车电池，就是将汽车的电池包拆解，把还可以用的电池芯分拣出来，再做成电动自行车的电池包。这其中存在哪些隐患？陈林解释称，锂电池有一个不可逆的缺点，就是在充放电（循环）的过程中会慢慢地产生锂析晶，当积累到一定量的时候，就可能会将锂电池里面的薄膜刺穿，造成电池内部短路，从而起火爆炸。原本可以进行600次循环的锂电池，退役下来之后，不法商家将其降级为可以400次循环的梯次电池，但是里面的锂析晶已然产生了，这是不可逆转的，仍会有安全隐患。因此，他强烈建议，“这种梯次利用的锂电池，不主张用于电动自行车上面。”

如何对电池安全进行管理控制？

目前，在市面上，有不少高价回收倒卖锂电池的小贩，也有一些厂家将淘汰掉的新能源汽车电池批量运送至天津等地，再去生产电动自行车。记者在走访中发现，很多电池回收、再生产的都是小贩和黑作坊，里面的乱象很多，处于“三不管的灰色地带”，往往在发生了事故之后，才有相关部门去处理。而且“在拆解电池包这方面，目前还很难监管。”

图：记者走访发现广州电动车废旧电池路边回收点。奥一新闻摄

这些退役下来的新能源汽车电池，通过翻新处理，流入到电动自行车锂电池市场，作为普通消费者，根本无法辨别是否为翻新电池，即使是专业人员，也需要将电池拆解之后利用专业的仪器才能检测出来。因此，这些翻新电池，就犹如隐藏的一枚枚定时炸弹，藏在一辆辆的电动自行车当中。

如何管控电池安全？陈林表示：“应把电动汽车锂电池生产销售纳入安全管理过程中，建立全流程的溯源管理，杜绝电动汽车使用后的锂电池流入市场。”同时，“加强销售环节执法检查，强化销售环节电动自行车非法改装整治，杜绝电动自行车使用梯次利用的锂电池。发现产品存在缺陷的，及时督促企业履行缺陷召回法定义务，消除产品安全隐患。”

据了解，目前电动自行车、电动摩托车的锂电池国标强制性标准，正在制定当中。为此，陈林提出建议：加快锂离子蓄电池核心部件强制性国家标准的制定，把锂电池全生命周期纳入到《电动自行车用锂离子蓄电池安全技术规范》等强制性国家标准。“一是给电动自行车电池设置一个生命周期，如设置为超过600次循环就要强行报废；二是对电池进行溯源管理，也就是谁生产，谁负责召回处理。如果查到了在市场上的废旧电池，厂家要有义务进行召回。”

一辆普通的电动自行车寿命有多长？陈林建议消费者三年更换一次电池。他解释称：“铅酸电池经过350个循环后会鼓包，无法放电，锂电池经过五六百个循环后容量下降，原来能跑50公里的，变成只能跑40公里了，或者只能跑30公里了。当发现容量下降的时候就可以换电池了。建议消费者直接去厂家指定的维修点进行更换，这样更加有保障。”

（注：应被采访者要求，陈林为化名。）

您是否遇到过电动车电池质量问题？

您对安全用车有什么想法和建议？

欢迎添加小助手拉您入群，暗号“电动车”

一起讨论吧~

策划：谢江涛 左志红 高春明

统筹：管玉慧

采写：管玉慧 卢若情

相关问答

锂电池可以回收。回收锂离子电池中的有价金属、减少对环境造成的污染、缓解资源匮乏等问题,具有重要的社会意义和经济意义。废旧电池内含有大量的重金属以及...

锂电池不能重复利用。(1)锂电池开发时间晚,技术使用不成熟。目前的技术,不足以产生对锂电池的废旧利用价值,要等科学家研发,待后续再利用。(2)锂电池...锂...

不能锂电池不能无限循环的原因是锂电池容量衰减主要是正负极材料的结构破坏或失活、电解液的分解、锂电池的滥用等,电池的充放电过程是一个复杂的电化学过程,...

过去的老手机锂电池只有几百毫安容量,往后的电池都在1000mAh以上,有些人为了赶时髦追新机,不断更换新款,那锂电池还有大半新,...手机废弃的锂电池,有什么用?过...

可以回收的、回收以后在送往冶炼厂回炉,分离熔炼再生铅。前废旧蓄电池回收行业的规范管理相对滞后,政府应当进行整体规划,环保、工商、公安等部门要联合介入...

48V锂电池常见的用途主要有:电动低速车、通讯基站备用电池、移动铁塔备用电源、服务器机房备用电源,UPS备用电源、房车储能电池,汽车混动电池等场合。锂电池组...

有的,因为地球的资源是有限的,只要是金属,都有回收的价值,更别说资源相对少的锂金属了。如果你从事的是废旧回收工作,建议别放过锂电池的回收,这样既可以给...

[回答]对已使用过的电池进行收集,防止其进入生态系统,对环境造成危害的一种行为。废旧电池内含有大量的重金属以及废酸、废碱等电解质溶液如果随意丢弃,...

其办理与资质的认证,主要是:(1)竣工验收申请(2)环境影响评价批复(3)排污许可证申请(4)环境管理体系认证(5)职业健康安全管理体...其办理与资质的认证,主...

一、携带身份证及复印件在所在地工商部门申请办理营业执照,经营范围需要有再生资源销售、锂电池、汽车废旧动力电池回收以及梯次利用与销售、锂电池拆解破碎、...