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2017年4月12日

储能技术新突破中大研发全球最高能量密度水系液流电池

2017年4月12日
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研究团队在实验室进行研究工作。(左起)翁国明博士、卢怡君教授及李喆珺小姐。

锌-碘溴液流电池设计原型的外观。

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

锌-碘溴液流电池的结构设计图示。

(左起)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。

香港中文大学(中大)机械与自动化工程学系助理教授卢怡君教授及其科研团队最近研发了一种高能量新型锌-碘溴液流电池,刷新了目前水系液流电池能量密度的纪录。这项突破性的成果近日在国际知名学术期刊《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重点报导。 

溴离子(Br-)——释放能量密度的钥匙 

水系液流电池是两种电解液通过离子交换来产生电能的装置,具有安全、环保、系统设计灵活、寿命长达数十年的特点,是一种极具发展潜力的新型储能系统。卢教授的研究团队在锌-碘液流电池中添加溴离子(Br-)后,其能量密度即时提升至高达每升101 瓦时 (Wh L-1),创造了水系液流电池能量密度的新纪录,与未添加溴离子(Br-)前相比,电池容量增加了至少20%。

锌-碘液流电池以高溶解度的碘化锌作为主要的活性电解液原料,碘离子(I-)和锌(Zn)分别作为正极与负极的电化学活性物质。该电池中含有一些游离的碘二离子(I2),在充电时,碘离子(I-)为稳定碘二离子(I2),与之结合成为碘三负离子(I3-),使锌-碘液流电池的循环性保持稳定(经50圈充放电循环后,电池容量保持率高达95%)。然而,那些充当稳定剂而失去自由的碘离子(I-),其在提升电池容量方面的功能白白被浪费。

团队其后研发了锌-碘溴液流电池,首次创新地提出在碘溶液中添加溴离子(Br-)来作碘离子(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。 

碘溴液流电池的前景

这种能量密度和循环性能兼备的新储能系统非常适合应用于市场日益庞大的电动汽车。卢教授表示:「电动汽车如应用这种电池,可大幅降低价格,行驶里程也更长。同时,这种电池更安全,不怕普通的碰撞,这对电动汽车的安全性很有好处。事实上,有一些电池公司已向我们表示有兴趣一起合作将技术产业化,我们相信,这项技术有望在未来应用到更高效、更便宜及更大规模的能源储存上。」 

该项技术发明,经实验证明有效将所有以碘化物为主的电化学储能系统的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,团队将致力研发低廉且性能良好的电极材料和膜材料,以继续优化这种具备前景的储能系统。 

关于「智能化太阳能技术︰采集、存储和应用」研究计划

是项研究是由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」的一部份。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。该项研究由30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共同合作,以提升太阳能发电的效能,让有关技术更加普及。 

关于卢怡君教授

卢教授2007年于台湾国立清华大学取得材料工程学系本科学位,并于2012年在美国麻省理工学院材料科学及工程学系取得博士学位。自2013年起,受聘于美国麻省理工学院为附属研究员。卢教授现为中大机械与自动化工程学系助理教授。卢教授曾获得多个中大及国际研究及教学奖项,包括中大博文教学奖 (2016)、校长模范教学奖及院长模范教学奖 (2014) 、香港研究资助局杰出青年学者 (2014),美国麻省理工学院Martin Family Society of Fellows for Sustainability (2009) 及台湾国家科学委员会杰出研究创新奖等。 

国际资讯科技博览2017

是项研究将于4月13至16日在由香港贸发局于香港湾仔会议展览中心举行的「国际资讯科技博览2017」展出,场内将同时展出中大其他多项创新科研项目,欢迎各界人士亲临中大摊位参观。

日期:2017年4月13至16日
时间:上午9时30分至晚上6时30分(周四至六);
           上午9时30分至下午5时(周日)
地点:香港湾仔博览道1号香港会议展览中心
         (中大摊位编号:B04(展馆3G))



研究团队在实验室进行研究工作。(左起)翁国明博士、卢怡君教授及李喆珺小姐。

研究团队在实验室进行研究工作。(左起)翁国明博士、卢怡君教授及李喆珺小姐。

 

锌-碘溴液流电池设计原型的外观。

锌-碘溴液流电池设计原型的外观。

 

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

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

 

锌-碘溴液流电池的结构设计图示。

锌-碘溴液流电池的结构设计图示。

 

(左起)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。

(左起)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。

 

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