鋰離子電池已成為現代人各種隨身電子裝置的電力來源,不過其危險性依然存在。若然電子裝置設計不良,或是電池遭破壞而發生短路,便有機會起火爆炸,為家居和航空運輸帶來風險,例如三星手機、波音787客機以往曾發生鋰離子電池起火事故。

由香港中文大學(中大)機械與自動化工程學系副教授盧怡君教授領導的研究團隊,利用護膚霜常用成分研發出新款的水系鋰離子電池電解液,其成本低、不易燃且毒性低,令電池在不影響容量和效能下更安全使用。從今,手機使用者不再需要擔憂使用手機時因電池起火而被燒傷。

傳統有機電解液有起火風險,近年科學界便研究以水系電解液取而代之。不過,水系鋰離子電池的電壓和能量密度受到水電解限制,當電壓高於 1.23伏特,水分子便會分解為氫氣和氧氣,令電池運行和電壓輸出不穩定。盧教授說:「現時有研究希望透過使用高濃度鋰鹽來穩定水分子,以增加電壓,但高濃度鋰鹽又重又貴,更會影響生態環境。」

盧怡君教授(右)及其博士生謝婧(左)展示中大新型電解液。

其後團隊就想到「分子擁擠」這種在生物細胞中常見的物理現象,改變水中的氫鍵結構,大大降低水分子活性。這現象能大幅減少水系電解液使用有毒鋰鹽/離子化合物的濃度,從而提升電池的穩定性。

盧教授表示:「當知道提高水分子穩定性是研發新型水系電解液的關鍵,我們便嘗試在其他領域找出類近的應用,最終找到『分子擁擠』這個方向去研究,並取得成功。」盧教授續說﹕「我一直鼓勵學生以跨學科的思維做研究,只有深入理解研究涉及的基礎理論,再將核心問題抽絲剝繭,才能取得成功,否則只會重複犯錯,無法實現目標。」

中大新型電解液的成分有(左起)聚乙二醇、純水、鋰鹽。
博士生謝婧(右)利用儀器,將新型電解液的成份混合。

盧教授的團隊利用聚乙二醇(PEG)取代高濃度鋰鹽/離子化合物,在電解液擬造出「分子擁擠」現象以抑制水分子活性。聚乙二醇是一種水溶性聚合物,是許多護膚霜和潤滑劑的原料,廣泛使用在牙膏、食品和飲料等日常用品之中。

PEG令一些傳統水系電解液中不能使用的電極材料也能發揮作用,團隊成功在低鹽濃度下將電解液的穩定電壓範圍擴大至 3.2 伏特。經過300次充放電後,能量密度仍穩定在每公斤75 至 110 瓦特小時,若使用凝膠包覆,最高電壓可達至4.0 伏特。 

中大新型電解液通過燃燒安全測試。

另外,傳統鋰離子水電池的重量有80%至85%來自鋰鹽,每公斤成本約 20 美元,而新型鋰離子水電池更輕更低成本,鋰鹽僅佔總重量30%至35%,成本降低至約每公斤 1 美元,對生態的危害亦大大減低。

有關研究成果已刊登於國際期刊《自然材料》及申請專利。然而,盧教授並不打算停步於此成就。她認為,是次研究只是一個開始﹕「不少在工業應用的鋰電池仍存在風險,我們希望日後能設計出更高電壓且穩定的水系電解液,並研發更安全、低成本且環保的儲電系統。」團隊預計在 3 至 5 年將成果產品化推出市場。

攝影﹕葉世強、姚志榮