中大工程学院最新电池研究突破 利用护肤霜成分制作提供稳定输出的非易燃水系锂离子电池

15.05.2020  00:30


由香港中文大学(中大)机械与自动化工程学系副教授卢怡君教授领导的研究团队,利用一种护肤霜常用成分研发了一款水系锂离子电池电解液。它的材料成本低且不易燃、毒性低,相对环保,更能提供稳定的电压作日常使用,朝改善水系锂离子电池的性能迈进了一大步。研究结果已刊登于国际期刊《自然材料》。

锂离子电池的未来:从易燃有机液到安全水系

全球经济以至人类日常生活愈来愈依赖各类型电子设备,例如手机和笔记型电脑等等。锂离子电池因为能提供相对稳定的能量,而且可以再充电重复使用,成为了这些电子产品的核心要素。然而,锂离子电池长久以来都是用有机电解液为主要成分。即使经过多年改良,这些电解液仍然含有毒性及高度易燃,有机会引发致命事故,例如三星手机爆炸、波音新型客机锂离子电池起火等,均显示锂离子电池未能让人完全安心使用。

科学界近年深入研究以水系电解液取代传统有机电解液,因水的特质可解决易燃问题。然而,水系锂离子电池的电压和能量密度受到水电解限制,当电压高于1.23伏特,电解液中的水分子便会分解为氢气及氧气,大大影响电池运作及电压输出稳定。增加水系电池电压的新兴做法是利用高浓度锂盐制造人工固体电极介面及减少自由水含量,以改善水的稳定性,但使用高浓度锂盐会令成本大增及有高毒性的问题。

护肤霜成分可稳定水系电解液活性

卢教授的研究团队在先前对水系锂离子电池的研究基础上,利用生物界「分子拥挤」(molecular crowding)现象,希望以毒性低的材料作为水系电解液的稳定剂,以大幅减少电解液有毒锂盐/离子化合物的浓度。

「分子拥挤」现象常见于生物细胞,当大分子(例如蛋白质、复合糖、多醣等)或亲水小分子(代谢物、渗透物质等)的浓度达到一个高水平,溶剂分子的某些特性便会被改变。例如在高浓度复合糖的环境,水中的氢键结构会被改变,导致水分子活性大大降低。

卢教授团队利用聚乙二醇取代高浓度锂盐/离子化合物,在电解液拟造出「分子拥挤」现象,以抑制水分子活性。聚乙二醇是一种水溶性聚合物,易于掺入含水溶液中,它也是许多护肤霜和润滑剂的原料,在一些牙膏、食品和饮料中亦会看见它的踪影。

使用这种稳定剂,并以锰酸锂(LiMn 2 O 4 )为正极、钛酸锂(Li 4 Ti 5 O 12 )作负极材料,卢教授的研究团队成功地在低盐浓度的情况下把电解液的稳定电压视窗扩大到3.2伏特。经过300次充放电,该水系电池的能量密度稳定在每公斤75至110 瓦特小时;透过凝胶包覆最高电压更可达到4.0伏特。电化学质谱显示,水系锂离子电池的常见问题,包括析氢/氧的化学反应,基本上都能被消除。实验表明该水系电解液接触明火后不会燃烧,其安全性相对于商用电解液有了大幅提高。

卢教授表示:「这款新型电解液更让许多本来在传统水系电解液中不能使用的电极材料发挥其作用。是次研究结果为设计拥有高电压及高稳定性的水系电解液提供了一个全新的平台,有助于研发更安全、低成本、环保的储电系统。」

关于卢怡君教授

卢教授2007年于台湾国立清华大学取得材料工程学系本科学位,并于2012年在美国麻省理工学院材料科学及工程学系取得博士学位。自2013年起,受聘于美国麻省理工学院为附属研究员。卢教授去年成为港澳地区首批获颁国家优秀青年科学基金(2019)的年轻科学家,并获得资助,集中研究电化学能源存储与材料介面科学,冀发展稳定以及低成本的能源存储系统。

卢教授是香港青年科学院的创会成员以及英国皇家化学会《Journal of Materials Chemistry A》副主编,曾获得多个中大及国际研究及教学奖项,包括中大博文教学奖(2016)、校长模范教学奖及院长模范教学奖(2014)、香港研究资助局杰出青年学者(2014)、美国麻省理工学院Martin Family Society of Fellows for Sustainability(2009)及台湾国家科学委员会杰出研究创新奖(2007)。

中大工程学院制作了一段短片,示范电解液的制作过程、燃烧及电力测试,可 按此 浏览。

参考文献:
Xie, J., Liang, Z. & Lu, Y. Molecular crowding electrolytes for high-voltage aqueous batteries. Nat. Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0667-y

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