你有没有想过,家中的护肤霜不单能让你容光焕发,更可助你变得「电力十足」?在能源相关领域,发电产能的研究固然是焦点,储能储电的电池项目亦同样受关注。中文大学学者卢怡君及其团体,今年全球首创将生物学原理用于电池领域,针对广泛应用的锂离子电池的易燃风险,利用护肤霜常见的成分聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)作为稳定剂,令其出现如同生物细胞的「分子拥挤」现象,在提升电压之余,亦避免了有机电解液的易燃性质,为未来研发安全且低成本的环保储电系统开拓出新路向。■香港文汇报记者 詹汉基
在现今随身电子装置的时代,锂离子电池变得不可或缺,由于其储电量足并可反覆充电,更被视为当今可再生能源的基石;去年的诺贝尔化学奖,便因此颁发予三名来自美国和日本,于上世纪七八十年代为锂离子电池研究奠基的科学先驱,表彰为人类带来极大裨益。不过,传统锂离子电池纵能提供稳定的高电压,惟电池内使用的有机电解液却属易燃物质,不慎使用或会出现可大可小的意外,带来一定安全风险。
为什么锂离子电池会燃烧呢?专研电池技术的中大机械与自动化工程学系副教授卢怡君日前向记者解释,锂离子电池中含电解液,中间有一层可供锂离子穿透的隔膜;当电池充、放电的过程中,正极与负极的锂离子会穿透隔膜往返两极。然而电池的正负极能量不同,当中存在电压差,一旦不恰当地搭通,「那电池就短路了,能量会瞬间释放」;由于有机电解液属于易燃物质,「刹那间释放的能量会让电池温度上升,就可能会引起爆炸!」虽然商用电解液有易燃易爆的风险,但因为它能提供稳定的电压,所以绝大部分产品仍以此为电池材料。
为防止锂离子电池爆炸,其中一个方法是使用不可燃的「水系电解液」,虽然使用「水系电解液」很安全,但却面对电压不足的问题,「当电压高于1.23伏特,水就会分解成氢气及氧气,那么电池就会Decay(衰退)」,卢怡君表示:「相比传统锂离子电池可以做到4伏特,现在只能做到1.23伏特,成效就差了很多。」
创「水系锂电池电解液」
为兼顾安全性及电压问题,团队的首要任务是将水系电解液的水给稳定住。经过多番尝试,卢怡君及博士生谢婧等团队成员,从生物细胞中的物理现象「分子拥挤(Molecular crowding)」得到启发,成为世界首个将生物学原理用于电池领域的团队,成功研发出新款的「水系锂离子电池电解液」。
「在生物学中,水在动物细胞中有其活性,可以利用高分子改变水的行为」,她表示:「既然这是生物中常见的现象,那我们想看看,能否借着拟造类似的环境,把水的结构稳定住」。「我们在水中加上了护肤品中常用的成分PEG」,卢怡君指,PEG是水溶性物质,能够和水产生氢键(hydrogen bonding)作用,把水分子紧紧「抓」住,并破坏不同水分子之间的氢键,从而防止水分解成氢气和氧气,「我们在水中放很多PEG,水就会被包住,有如拟造出『分子拥挤』的现象。」
如此一来,加入了PEG稳定剂的水就能够在更高电压下工作,能令电池稳定维持在3.2伏特以上,透过凝胶包覆最高电压更可达到4伏特;即使经过300次充放电,电池的能量密度亦能稳定在每公斤75至110瓦特小时(Wh/kg),「既不会牺牲电压,同时又有着更高的安全性。」
冀让不同电极材料发挥作用
由于PEG革新了水系电解液系统,亦可望让更多不同的电极材料发挥作用,卢怡君指,是次研究结果为科研人员提供了全新平台帮助设计高电压及高稳定性的电池,推动更安全、低成本、环保储电系统的研发。