锂离子电池已成为现代人各种随身电子装置的电力来源,不过其危险性依然存在。若然电子装置设计不良,或是电池遭破坏而发生短路,便有机会起火爆炸,为家居和航空运输带来风险,例如三星手机、波音787客机以往曾发生锂离子电池起火事故。

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,利用护肤霜常用成分研发出新款的水系锂离子电池电解液,其成本低、不易燃且毒性低,令电池在不影响容量和效能下更安全使用。从今,手机使用者不再需要担忧使用手机时因电池起火而被烧伤。

传统有机电解液有起火风险,近年科学界便研究以水系电解液取而代之。不过,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,水分子便会分解为氢气和氧气,令电池运行和电压输出不稳定。卢教授说:「现时有研究希望透过使用高浓度锂盐来稳定水分子,以增加电压,但高浓度锂盐又重又贵,更会影响生态环境。」

卢怡君教授(右)及其博士生谢婧(左)展示中大新型电解液。

其后团队就想到「分子拥挤」这种在生物细胞中常见的物理现象,改变水中的氢键结构,大大降低水分子活性。这现象能大幅减少水系电解液使用有毒锂盐/离子化合物的浓度,从而提升电池的稳定性。

卢教授表示:「当知道提高水分子稳定性是研发新型水系电解液的关键,我们便尝试在其他领域找出类近的应用,最终找到『分子拥挤』这个方向去研究,并取得成功。」卢教授续说:「我一直鼓励学生以跨学科的思维做研究,只有深入理解研究涉及的基础理论,再将核心问题抽丝剥茧,才能取得成功,否则只会重复犯错,无法实现目标。」

中大新型电解液的成分有(左起)聚乙二醇、纯水、锂盐。
博士生谢婧(右)利用仪器,将新型电解液的成份混合。

卢教授的团队利用聚乙二醇(PEG)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,是许多护肤霜和润滑剂的原料,广泛使用在牙膏、食品和饮料等日常用品之中。

PEG令一些传统水系电解液中不能使用的电极材料也能发挥作用,团队成功在低盐浓度下将电解液的稳定电压范围扩大至 3.2 伏特。经过300次充放电后,能量密度仍稳定在每公斤75 至 110 瓦特小时,若使用凝胶包覆,最高电压可达至4.0 伏特。 

中大新型电解液通过燃烧安全测试。

另外,传统锂离子水电池的重量有80%至85%来自锂盐,每公斤成本约 20 美元,而新型锂离子水电池更轻更低成本,锂盐仅占总重量30%至35%,成本降低至约每公斤 1 美元,对生态的危害亦大大减低。

有关研究成果已刊登于国际期刊《自然材料》及申请专利。然而,卢教授并不打算停步于此成就。她认为,是次研究只是一个开始:「不少在工业应用的锂电池仍存在风险,我们希望日后能设计出更高电压且稳定的水系电解液,并研发更安全、低成本且环保的储电系统。」团队预计在 3 至 5 年将成果产品化推出市场。

摄影:叶世强、姚志荣