中大研「分子外衣」技術 為高能量電池發展開新路　助推電動車及儲能產業升級

香港文匯報訊（記者 楊梓穎）隨着全球加快推動綠色交通及新能源轉型，兼具高能量密度與高安全性的先進電池技術，正成為電動車及大型儲能設備發展的關鍵。鋰金屬電池因具備比傳統鋰離子電池更高的能量密度，被視為下一代電池的重要方向，但其在高電壓運行下的穩定性問題，長期限制實際應用。香港中文大學（中大）研究團隊近日提出一項全新的界面工程策略，透過在電池正極活性材料表面設計及組裝特殊分子層，成功調控電極與電解質界面的化學環境，顯著提升高電壓鋰金屬電池的穩定性及循環壽命，為未來高性能電池開發提供新思路。相關研究成果已刊登於國際頂尖期刊《自然─納米技術》(Nature Nanotechnology)。

鋰金屬電池憑藉超高能量密度，被廣泛認為是下一代電動車及儲能系統的潛力方案。相較現有鋰離子電池，鋰金屬電池有望提供更長續航里程，並進一步減輕電池重量。不過，當電池在高電壓條件下運行時，電極與電解液之間的界面穩定性便成為影響整體性能與壽命的核心因素。研究指出，在這一肉眼難以觀察的界面區域中，電解液分子容易發生氧化分解，產生的副產品不斷堆積，最終導致電池性能迅速衰退，甚至失效。這一問題之所以難以突破，在於單靠改良電極材料，或僅調整電解液配方，往往都不足以從根本上解決界面反應失控的挑戰。

中大工程學院機械與自動化工程學系教授盧怡君領導的研究團隊，因而提出嶄新思路：與其被動承受界面反應，不如主動改造界面的化學環境。團隊在電池正極活性材料表面組裝一層超薄而具明確功能的分子膜，猶如為材料穿上一層「分子外衣」，藉此調節電解液分子接近界面時的行為。研究團隊發現，透過改變膜上分子的「脾氣」，有些分子「熱情」地吸引電解液靠近，有些分子則「冷淡」地將電解液推開。科研人員藉此如同調節溫度般，精細調控界面的化學環境，在吸引與排斥之間取得最佳平衡，使界面既能形成保護層、抑制有害副反應，又不致過度妨礙電池正常運作。

在實驗中，經分子膜修飾的正極即使在高電壓及60°C高溫等嚴苛條件下，循環200次後仍可保持80%的初始容量；相較之下，未經修飾的電極性能衰減則明顯更快。研究團隊指出，這項改進並非通過增加電極或電解液系統的複雜程度來達成，而是在界面上進行精準且可控的化學修飾，顯示該方法有望與現有電池製造工藝相結合，毋須對整個系統作大幅改動。

盧怡君表示，這項研究從分子層面揭示了電極—電解質界面的作用機制，不僅提出新的科學見解，也展示出一條設計電池界面的新路徑。她指出，雖然目前相關驗證仍處於電池實驗室的小規模階段，但從原理上看，這種方法具備拓展至更大規模電池系統的潛力。團隊期望有關研究可為下一代高能量密度、高穩定性的鋰金屬電池開發提供重要指引，並推動這類電池早日邁向實際應用，為電動車及儲能產業開拓更廣闊的發展空間。