安全环保储能电池为地球续航

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安全环保储能电池为地球续航

在2021年联合国气候变化大会上,全球多国均承诺逐步淘汰煤炭等化石燃料,转用可再生能源,迈向可持续零碳生活。再生能源的稳定供应十分依赖储能电池,然而,现今最常见的电池技术,不论在成本、环保、安全、稳定性等各方面,都无法满足未来的需要。

卢怡君教授的团队于是透过崭新材料,研发了多款集安全、便宜、环保于一身的储能方案,包括利用水系电解液解决锂离子电池有毒及易燃的风险,并且研发商业化的硫基液流电池,希望透过绿色科研为地球续航。

润肤霜成分研水系电池 解决易燃风险

每次乘坐飞机,工作人员必定会询问行李中是否藏有锂离子电池,原因是这款电池里面的电解液属高度易燃液体, 当出现短路或过热,很可能导致爆炸。不过,卢教授带领的团队所研发的新型水系锂离子电池,则可以承受火枪的直接灼烧,十分安全。

正极、负极和电解液,这是电池的三个基本构件,若要寻求技术突破,最佳方法是在材料和化学成分中找答案。「锂离子电池的电解液一般由锂盐和有机溶剂组成,它们高度易燃又不环保。地球上最低成本又环保的物质,莫过于随手可得的水,于是我们利用水作为电解液主要材料,避免了易燃问题。」卢教授解释。

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不过,当遇到电流通过,水分子会被分解成氢及氧, 导致电池不稳定。「我们团队要做的事就是想办法稳定水分子。以往有研究将高浓度锂盐添加到水中,虽然可以改善水系电解液的稳定性,却增加毒性含量及成本,这并不是可持续的解决方案。」

遍寻之下,卢教授终于在生活中常用的润肤霜中,发现一种既能防止水分子分解又安全环保的物质 —— 水溶性聚合物聚乙二醇(PEG),故把它加入水取代传统电解液。PEG 在水中有很强的氢键作用,能够有效拟造出『分子拥挤』(Molecular Crowding)的生物现象,包围水分子及抑制其活性,同时保持电解液不易燃及无毒。研究显示,PEG成功在低锂盐浓度的情况下提升电解液性能,电压能够维持在2.4伏特,并且能够充电达数百个循环。再者,PEG的成本只是锂盐的十分之一,大大降低电池生产成本。

水系电池的技术突破引起学术界的回响,也为卢教授赢得多个奖项。她深信,这项发明能够为地球找到永续发展的解决方案,「我们在实验室找到水系电池的制作诀窍,下一步就是将电池的容量、性能倍增,也要跟电池、电动车生产商等行业接触,了解不同应用场景和需要改良的地方,日后才能大规模应用在生活上。」

为此,她于2021年伙拍其博士学生,利用大学及政府的资源成立初创公司,将其科研成果与商业应用市场接轨。

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突破液流电池技术瓶颈 助可再生能源广泛应用

除了水系电池外,卢教授的初创团队也正努力将其研发的硫基液流电池(Polysulphide Flow Battery)技术制成产品原型,投入市场测试。液流电池的优势在于其储存能量的化学溶液与电池本身是分开两套系统,溶液储存在独立水箱,因此电池容量能够随时透过增加水箱容量而提升,相反锂离子电池则需要更换或添加整个电池,才能够增加容量。应用于可再生能源电网等需要长时间储能和放电的场景,液流电池是更适合的选择。

卢教授说:「我们研发出一种新型的电荷增强型离子选择性膜(CRIS),能够让多硫化物即使经过多次充电都不会被分解及流失,从而大幅提高电池寿命,运作时间长达数十小时,更可以取代成本贵很多倍的钒液流电池,能够有效解决可再生能源大型电网的储能问题。」

卢教授的新型膜技术研究成果,2021年获国际顶尖期刊《自然.能源》(Nature Energy)刊出,被誉为推动液流电池商业化的一大突破。

Quote:

我希望安全环保的移动能源能够在全球应用,推动可持续发展,这也是推动我继续研究的动力。

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卢怡君教授

港中大机械与自动化工程学系副教授

研究领域:电化学能量和界面

主要成就:

● 腾讯基金会「科学探索奖」(2021)

● 「Falling Walls年度科学突破奖」之「工程及科技类」十强(2020)

● 国家优秀青年科学基金的年轻科学家(2019)

Caption:

01_新型水系电解液解决锂离子电池易燃及有毒的问题,将储能技术带到更高层次。(图中左边的锂离子电解液曾经燃烧,右边水系电解液则能承受高温。)

02_卢教授的新型膜技术研究成果,被誉为推动液流电池商业化的一大突破。

03_卢教授一直致力于绿色科研,透过崭新材料研发集安全、便宜、环保于一身的储能方案。