科学家札记
2017年7月
 

卢怡君教授

机械与自动化工程学系

 

香港政府自1994年起豁免电动车首次登记税,吸引市民转用电动车,减低由柴油车产生的空气污染。根据环境保护署资料显示,截至2017年6月底,全港由2010年不足一百辆电动车,急增至2017年6月底的11,018辆,升幅逾一百倍。可是,为电动车补给的公共充电车位数量却远远赶不上车辆增幅。目前全港共有1,505个公共充电车位,当中标准充电车位占743个,中速充电器有509个,快速充电器则只有253个。虽然环保署已于过去三年把274个标准充电器升级至中速充电器,成效只如杯水车薪。

 

(左起)<em>中大机械与自动化工程学系博士研究生李喆珺小姐、副研究员翁国明博士、卢怡君教授,以及研究助理谭朗彦先生</em>

 

如能提高电动车电池的储能容量,充电站的负荷将大大降低。科学家已不断在储能技术,尤其是电化学研究方向寻求突破。其中,水系液流电池储能技术(Redox Flow Battery,简称RFB)集安全、环保、系统设计灵活、寿命长的优点于一身,是发展潜力极佳的新型储能系统,也非常适合电动车使用。传统的水系全钒液流电池(vanadium redox flow battery,简称VRB)具较高输出功率,可是材料成本高,能量密度低(25Wh L-1),削弱了它的市场竞争力。虽然近年来,一些半固体非水系液流电池展现出其在提高能量密度方面的潜力,然而,与水系液流电池相比,它们的功率通常较低,而且成本明显较高。

笔者与团队最近研发出成本低廉的锌-碘溴液流电池(zinc/iodine-bromide redox flow battery,简称ZIBB)技术,并在目前水系液流电池的能量密度研究上刷新了纪录。通过添加溴离子(Br-),电池的能量密度提升至高达101瓦时每升(Wh L-1),比添加溴离子前提升至少20%。这项突破近日在学术期刊《能源及环境科学》Energy & Environmental Science发表,并获英国皇家化学会旗下杂志《化学世界》Chemistry World专题报导。

 

溴离子(Br-)的秘密:体积更小,容量更大

锌-碘液流电池以高溶解度的碘化锌为主要的活性电解液原料,碘离子(I-)和锌(Zn)分别为正极与负极的电化学活性物质。在传统的设计中,电池的高循环寿命得以稳定维持(经五十圈充放电循环后,电池容量保持率高达95%),是由于在充电的电化学反应中,有三分之一的碘离子(I-)充当了碘二离子(I2)的稳定剂,与之结合成为碘三负离子(I3-)。然而,这些充当稳定剂而失去自由的碘离子(I-)在提升电池容量方面的功能被白白浪费。

新研发的锌-碘溴液流电池破天荒在碘溶液中添加溴离子(Br-)来充当碘离子(I-)的「替身」。溴离子(Br-)与碘二离子(I2)结合成为碘溴离子(I2Br-),同样可发挥稳定循环性的作用,而被释放的碘离子(I-)则可增加电池容量。

 

<em>锌-碘溴液流电池的结构设计图示</em>

 

 

<em>在充电过程中,溴离子</em>(Br-)<em>取代碘三负离子中的碘离子</em>(I-)<em>形成碘溴离子,从而释放了该部分碘离子以增加储能容量</em>

 

改善液流电池的能量密度可大大减少所需储存空间,同时能广泛应用于固定及可移动储电系统,尤其是大规模一类。举例来说,假如一个全钒液流电池系统需要一立方米空间以提供一个家居约20千瓦‧时的用电需求,由于新型液流电池能提供高四倍的能量密度,所以只需要0.2立方米空间便能供应相同的电量。

 

锌-碘溴液流电池的未来

该技术由于使用便宜又安全的化学品、中性温和的水系电解液和低廉的石墨毡电极,所以商业开发前景极佳。电动车如应用这项技术,价格及充电时间便能大大降低,行驶里程也更长。同时这种电池不受一般碰撞影响,更安全可靠。

团队的实验还证明了该创新概念亦适用于所有以碘化物为主的电化学储能系统,能把最大理论储能容量再增加三分之一。在接下来的科研探索中,笔者与团队将致力研发低廉且性能良好的电极材料和膜材料,以继续优化这项储能技术。

 

<em>锌-碘溴液流电池技术令能量密度高达101 Wh L</em><sup>-1</sup><em>,刷新了目前水系液流电池能量密度纪录</em>

 

「智能化太阳能技术∶采集、存储和应用」研究计划

上述电池研究是中大工程学院院长汪正平教授领导的五年研究计划「智能化太阳能技术∶采集、存储和应用」其中一部分。研究团队自2014年起获香港政府研究资助局主题研究计划资助6,033万港元,另由中大及其他合作院校分别提供1,380万港元及300万港元。研究由三十多位来自中大、香港理工大学、香港科技大学及香港大学学者合作,提升太阳能发电的效能,普及相关技术。

 

 

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《续绿中大》电子通讯由香港中文大学资讯处校园规划及可持续发展处出版。