中大用聚乙二醇製「分子擁擠」研升電壓防易燃

你有沒有想過，家中的護膚霜不單能讓你容光煥發，更可助你變得「電力十足」？在能源相關領域，發電產能的研究固然是焦點，儲能儲電的電池項目亦同樣受關注。中文大學學者盧怡君及其團體，今年全球首創將生物學原理用於電池領域，針對廣泛應用的鋰離子電池的易燃風險，利用護膚霜常見的成分聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）作為穩定劑，令其出現如同生物細胞的「分子擁擠」現象，在提升電壓之餘，亦避免了有機電解液的易燃性質，為未來研發安全且低成本的環保儲電系統開拓出新路向。■香港文匯報記者 詹漢基

在現今隨身電子裝置的時代，鋰離子電池變得不可或缺，由於其儲電量足並可反覆充電，更被視為當今可再生能源的基石；去年的諾貝爾化學獎，便因此頒發予三名來自美國和日本，於上世紀七八十年代為鋰離子電池研究奠基的科學先驅，表彰為人類帶來極大裨益。不過，傳統鋰離子電池縱能提供穩定的高電壓，惟電池內使用的有機電解液卻屬易燃物質，不慎使用或會出現可大可小的意外，帶來一定安全風險。

為什麼鋰離子電池會燃燒呢？專研電池技術的中大機械與自動化工程學系副教授盧怡君日前向記者解釋，鋰離子電池中含電解液，中間有一層可供鋰離子穿透的隔膜；當電池充、放電的過程中，正極與負極的鋰離子會穿透隔膜往返兩極。然而電池的正負極能量不同，當中存在電壓差，一旦不恰當地搭通，「那電池就短路了，能量會瞬間釋放」；由於有機電解液屬於易燃物質，「剎那間釋放的能量會讓電池溫度上升，就可能會引起爆炸！」雖然商用電解液有易燃易爆的風險，但因為它能提供穩定的電壓，所以絕大部分產品仍以此為電池材料。

為防止鋰離子電池爆炸，其中一個方法是使用不可燃的「水系電解液」，雖然使用「水系電解液」很安全，但卻面對電壓不足的問題，「當電壓高於1.23伏特，水就會分解成氫氣及氧氣，那麼電池就會Decay（衰退）」，盧怡君表示：「相比傳統鋰離子電池可以做到4伏特，現在只能做到1.23伏特，成效就差了很多。」

創「水系鋰電池電解液」

為兼顧安全性及電壓問題，團隊的首要任務是將水系電解液的水給穩定住。經過多番嘗試，盧怡君及博士生謝婧等團隊成員，從生物細胞中的物理現象「分子擁擠（Molecular crowding）」得到啟發，成為世界首個將生物學原理用於電池領域的團隊，成功研發出新款的「水系鋰離子電池電解液」。

「在生物學中，水在動物細胞中有其活性，可以利用高分子改變水的行為」，她表示：「既然這是生物中常見的現象，那我們想看看，能否藉着擬造類似的環境，把水的結構穩定住」。「我們在水中加上了護膚品中常用的成分PEG」，盧怡君指，PEG是水溶性物質，能夠和水產生氫鍵（hydrogen bonding）作用，把水分子緊緊「抓」住，並破壞不同水分子之間的氫鍵，從而防止水分解成氫氣和氧氣，「我們在水中放很多PEG，水就會被包住，有如擬造出『分子擁擠』的現象。」

如此一來，加入了PEG穩定劑的水就能夠在更高電壓下工作，能令電池穩定維持在3.2伏特以上，透過凝膠包覆最高電壓更可達到4伏特；即使經過300次充放電，電池的能量密度亦能穩定在每公斤75至110瓦特小時（Wh/kg），「既不會犧牲電壓，同時又有着更高的安全性。」

冀讓不同電極材料發揮作用

由於PEG革新了水系電解液系統，亦可望讓更多不同的電極材料發揮作用，盧怡君指，是次研究結果為科研人員提供了全新平台幫助設計高電壓及高穩定性的電池，推動更安全、低成本、環保儲電系統的研發。