學術探奇

生電有道

盧怡君開闢新一代電池

小至手提電話、大至特斯拉卡車,都靠鋰離子電池供電。鋰離子電池能提供強力電流,最宜用於數碼相機等需要短暫而強力電流的器材。

可是,如果在機場辦理登機手續,工作人員必會詢問行李中是否藏有鋰離子電池。電池可因短路而過熱,甚或爆炸。而且鋰離子電池的製造費用不菲。這種世界最輕的金屬只出產於少數地方,開採還須用到有毒化學品。

中大材料科學家盧怡君教授希望解決這些問題。她研發的電池儲電方法集安全、便宜、環保於一身。

盧教授說:「大家都知道安全非常重要,但由於需要電力,還是採用易燃電解液。我們必須跳出這個局限,定立長久之計。」

她利用水溶性聚合物聚乙二醇,研製嶄新的水系電解液系統。該聚合物常見於潤膚霜,甚至可用作食物附加劑,十分安全。

盧怡君教授改良了水系電池,使其產電力足以取代市面上昂貴、有毒和易爆的鋰離子電池

盧教授的創新,在於藉「分子擁擠」現象,穩定電池內的水。水是電流中傳送離子的溶劑,但水並不穩定。

盧教授所用聚合物,簡稱為PEG,能以氫鍵「包圍」水分子,防止水分子分解。在正常情形下,水接觸到負極足夠低的電勢,高能電子便馬上傳到水中,把水分解,並釋放出氫氣。

水系電池已面世多年,但與鋰離子電池不同:傳統鋰離子電池中的易燃液體溶劑含有鋰鹽,水系電池則不含鋰,不能產生足夠電壓。

任職中大機械與自動化工程學系的盧怡君教授,不斷改良其新型電池,目前已可與能量密度低的商用鋰離子電池爭一日長短。

商用鋰離子電池每公斤能生產一百至四百瓦特小時的能量密度。盧教授的電池則每公斤能製造七十五至一百一十瓦特小時的能量密度。她解釋說:「我們的能量密度較低,但正不斷改良。重要的是這電池絕對安全。」

PEG可在市場上買到,比鋰便宜三十至一百倍,而且沒有毒,生產過程也不需要生產鋰所用的鹽酸。

盧教授說:「PEG有不少好處。縱觀上述因素,我們覺得PEG這種新用法,可突破電池研發的一大障礙。」

她的研究成果今年4月發表於Nature Materials期刊。她的文章提出電池的原型,並證明其效用。

盧教授就電池研究發表了眾多論文

水系電池的水並不穩定,使用鋰鹽能避開這個問題。鋰是輕金屬,也是最輕的固體元素,故此特別適用於電池,鋰與電解液混和之後,就是很好的電荷載體。

科學家一直在改良傳統的易燃鋰離子電池。但若要避免使用易燃溶劑,新一代電池需使用高濃度鋰鹽,在溶液中的濃度須達百分之九十左右,因此,電池製作成本高,電池內溶液的毒性也高。

盧教授所研發的電池使用混合了PEG的水系溶劑,以及只佔溶液濃度百分之三十五的少量鋰鹽,令電池生產更安全,成本更低。

盧教授認為她的新方法可行,但最初並不肯定。「剛開始時困難重重,因為我所做的事,沒人做過,不知是否行得通。能做的只有堅定信心,勇往直前。」

下一步,她將改善電池的能量密度,並加大其原型的體積。她的團隊目前製作了只有鈕扣般大小的電池,但她認為水系電池能大規模應用,例如用於供電網。

盧教授認為,開發新型電池充滿未知,能做的只有堅定信心,一往無前

盧教授已為其技術申請專利,並期望把電池發展成商品。她希望能與具生產電池經驗和合成電池能力的私營公司合作,以較大規模製作和測試電池。她的兩位博士生正與中大合作,研究是否可在香港科學園成立初創公司。

圖/Eric Sin

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本文出自中大網頁(2020年7月)

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