為提供更方便的一站式服務與讀者,星島雜誌集團旗下的東周網、東TOUCH、PCM電腦廣場、CAZ Buyer車買家、JET及Spiral游絲腕表網站將歸納為My-Magazine網站,只需完成以下簡單登記程序,即可以一個電郵地址,享用以上各網站提供的各種會員服務及源源不絕的會員優惠!
submit
submit
主頁  > 時事  > 時事速報 2021 年 12 月 23 日

安全環保儲能電池為地球續航

在2021年聯合國氣候變化大會上,全球多國均承諾逐步淘汰煤炭等化石燃料,轉用可再生能源,邁向可持續零碳生活。再生能源的穩定供應十分依賴儲能電池,然而,現今最常見的電池技術,不論在成本、環保、安全、穩定性等各方面,都無法滿足未來的需要。

盧怡君教授的團隊於是透過嶄新材料,研發了多款集安全、便宜、環保於一身的儲能方案,包括利用水系電解液解決鋰離子電池有毒及易燃的風險,並研發商業化的硫基液流電池,希望透過綠色科研為地球續航。

新型水系電解液解決鋰離子電池易燃及有毒的問題,將儲能技術帶到更高層次。(圖中左邊的鋰離子電解液曾經燃燒,右邊水系電解液則能承受高溫。)


潤膚霜成分研水系電池 解決易燃風險

每逢乘坐飛機,工作人員必定會詢問行李中是否藏有鋰離子電池,原因是這款電池裏面的電解液屬高度易燃液體,當出現短路或過熱,很可能導致爆炸。不過,盧教授帶領的團隊所研發的新型水系鋰離子電池,則可以承受火槍的直接灼燒,十分安全。

正極、負極和電解液,這是電池的三個基本構件,若要尋求技術突破,最佳方法是在材料和化學成分中找答案。「鋰離子電池的電解液一般由鋰鹽和有機溶劑組成,它們高度易燃又不環保。地球上最低成本又環保的物質,莫過於隨手可得的水,於是我們利用水作為電解液主要材料,避免了易燃問題。」盧教授解釋。

不過,當遇到電流通過,水分子會被分解成氫及氧,導致電池不穩定。「我們團隊要做的事就是想辦法穩定水分子。以往有研究將高濃度鋰鹽添加到水中,雖可改善水系電解液的穩定性,卻增加毒性含量及成本,並不是可持續的解決方案。」

遍尋之下,盧教授終在生活中常用的潤膚霜中,發現一種既能防止水分子分解又安全環保的物質 —— 水溶性聚合物聚乙二醇(PEG),故把它加入水取代傳統電解液。PEG在水中有很強的氫鍵作用,能有效擬造出『分子擁擠』(Molecular Crowding)的生物現象,包圍水分子及抑制其活性,同時保持電解液不易燃及無毒。研究顯示,PEG成功在低鋰鹽濃度的情況下提升電解液性能,電壓能維持在2.4伏特,並能充電達數百個循環。再者,PEG的成本只是鋰鹽的十分之一,大大降低電池生產成本。

水系電池的技術突破引起學術界的迴響之餘,亦為盧教授贏得多個獎項。她深信,這項發明能夠為地球找到永續發展的解決方案,「我們在實驗室找到水系電池的製作訣竅,下一步就是將電池的容量、性能倍增,亦要跟電池、電動車生產商等行業接觸,了解不同應用場景和需要改良的地方,日後才能大規模應用在生活上。」

有見及此,她於2021年夥拍其博士學生,利用大學及政府的資源成立初創公司,將其科研成果與商業應用市場接軌。

盧教授一直致力於綠色科研,透過嶄新材料研發集安全、便宜、環保於一身的儲能方案。


突破液流電池技術瓶頸 助可再生能源廣泛應用

除了水系電池外,盧教授的初創團隊亦正努力將其研發的硫基液流電池(Polysulphide Flow Battery)技術製成產品原型,投入市場試水溫。液流電池的優勢在於其儲存能量的化學溶液與電池本身是分開兩套系統,溶液儲存在獨立水箱,因此電池容量能隨時透過增加水箱容量而提升,相反鋰離子電池則需要更換或添加整個電池,才能增加容量。應用於可再生能源電網等需要長時間儲能和放電的場景,液流電池是更適合的選擇。

盧教授說:「我們研發出一種新型的電荷增強型離子選擇性膜(CRIS),能夠讓多硫化物即使經過多次充電都不會被分解及流失,從而大幅提高電池壽命,運作時間長達數十小時,更可取代成本貴很多倍的釩液流電池,能有效解決可再生能源大型電網的儲能問題。」

盧教授的新型膜技術研究成果,2021年獲國際頂尖期刊《自然.能源》(Nature Energy)刊出,被譽為推動液流電池商業化的一大突破。

盧教授的新型膜技術研究成果,被譽為推動液流電池商業化的一大突破。

“我希望安全環保的移動能源能夠在全球應用,推動可持續發展,這亦是推動我繼續研究的動力。”

盧怡君教授
中大機械與自動化工程學系副教授


研究領域:電化學能量和界面
主要成就:
● 騰訊基金會「科學探索獎」(2021)
● 「Falling Walls年度科學突破獎」之「工程及科技類」十強(2020)
● 國家優秀青年科學基金的年輕科學家(2019)