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2021年5月4日

中大工程學院研發新技術 大幅提高液流電池使用壽命 普及大型電網儲能技術

2021年5月4日
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盧怡君教授(右)及其團隊成員李喆珺博士(左)研發的「電荷增強型離子選擇性膜」
能大幅提升硫基液流電池的使用壽命,有望普及應用於大型電網儲能。

圖為中大研發的「電荷增強型離子選擇性膜」(右)及商業化離子選擇性膜N117(左)的比較。

採用「電荷增強型離子選擇性膜」的硫基液流電池實驗模型。

多硫化物-碘液流電池示意圖。使用商業化離子選擇性膜N117導致活性物質交叉污染,加快電池的容量衰退速度;而「電荷增強型離子選擇性膜」可有效阻止活性物質交叉污染,減少自放電,從而提高電池壽命。

香港中文大學(中大)機械與自動化工程學系副教授盧怡君教授領導的研究團隊成功研發一款可用於硫基液流電池(以硫化物為材料的液流電池)的新型「電荷增強型離子選擇性膜」(CRIS)。利用新技術,電池在沒有明顯容量衰減情況下,運作時間大幅提高至逾2,000小時,每次充滿電後可持續使用達15小時,解決了長久以來這類電池因使用壽命短、成本高,而未能普及應用於可再生能源大型電網儲能的難題,令液流電池的商業化邁進一大步。研究結果已刊登於國際頂尖期刊《自然.能源》(Nature Energy)。

硫基液流電池壽命短 難普及應用於大型電網儲能

水系液流電池是一種新穎的儲能技術,由兩種處於溶液態的電解液通過離子交換來產生電能。相比傳統鋰離子電池,液流電池的優勢在於安全、電量輸出功率大、設計靈活,適合用於風能、太陽能等再生能源的電網儲能裝置,以及可快速換電的電動交通工具等。然而,液流電池的能量密度低且成本高,較難應用於大型電網儲能技術。

有鑑於此,盧教授的團隊早於2016年研發出一種利用廉價且環保的硫化物為基礎的多硫化物-碘液流電池,大幅提升液流電池的能量密度和降低成本,是一種極具潛力的新型液流電池。不過,這款電池採用一般商業用的離子選擇性膜,如應用於儲能需求較大的電網儲能裝置,仍存在活性物質交叉污染及沉積,導致電池容量衰減速度快和壽命短等技術問題。早於90年代,有英國科技公司嘗試開發類似的多硫化物-溴液流電池,最終亦因無法解決電池壽命短的問題而告吹,科學界一直尋求方法突破此技術難題。

「電荷增強型離子選擇性膜」大幅提升電池運作時間

在多硫化物-碘液流電池的研究基礎上,盧教授進一步構思提升電池循環穩定性和使用壽命的方法。團隊最終從負責分隔正負電極的膜找到靈感,設計出一款「電荷增強型離子選擇性膜」。團隊在商業化離子選擇性膜(產品型號N117)覆蓋一層極薄的高分子材料和高吸附性的碳材料,令帶負電的活性小分子選擇性吸附於比表面積較大的碳微孔中,加強膜表面的負電性,並減少活性物質的流失,從而提高電池的使用壽命,是全球首次利用此技術大幅提高電池的壽命,令電池可有效用於大型電網儲能裝置。

研究顯示,在電池沒有明顯容量衰減情況下,使用商業化膜N117的硫基液流電池一般只能運作160小時(約6.7天),而採用新膜的多硫化物-碘液流電池,其容量衰減率每天僅為0.005%,並能穩定地循環逾1,200圈,即可運作逾2,000小時(約3個月)。另外,新電池的放電庫倫效率高達99.9%,每次充滿電後可持續使用長逾15小時,遠遠優勝於使用商業化膜N117的硫基液流電池或鋰電池(充滿電後只能持續使用約3至4小時)。

當採用了新電池的儲能裝置在持續放電時長超過15小時的狀態下工作,其儲能均化成本亦較其他先進的液流電池體系為低。此外,新膜的適用性高,可用於其他高能量密度的液流電池體系,例如硫-溴、硫-鐵及有機液流電池等,以提高電池的循環穩定性。

盧教授表示:「這款新型離子選擇性膜解決了液流電池長久以來因活性物質交叉污染而導致電池使用壽命短的技術難題。同時,這款獨特的膜設計將促進價格低廉的硫基液流電池進一步商業化,並為高選擇性離子交換膜的研究和發展提供全新的方向。」

關於盧怡君教授

盧教授2007年於台灣國立清華大學取得材料工程學系本科學位,其後於2012年在美國麻省理工學院材料科學及工程學系取得博士學位。2019年,盧教授成為港澳地區首批獲頒國家優秀青年科學基金的年輕科學家,並獲得資助研究電化學能源存儲與材料介面科學,冀發展穩定和低成本的能源存儲系統。

盧教授是英國皇家化學學會會士、香港青年科學院的創會成員以及英國皇家化學學會《Journal of Materials Chemistry A》副主編,曾獲得多個中大和國際研究及教學獎項,包括Top 10 Falling Walls Science Breakthroughs of the Year Award in Engineering and Technology (2020)、中大聯合書院傑出青年學者獎(2018)、中大青年學者研究成就獎(2016)、中大博文教學獎(2016)、校長模範教學獎及院長模範教學獎(2014)及香港研究資助局傑出青年學者獎(2014)等。

論文全文請參閱﹕https://doi.org/10.1038/s41560-021-00804-x



盧怡君教授(右)及其團隊成員李喆珺博士(左)研發的「電荷增強型離子選擇性膜」<br />
能大幅提升硫基液流電池的使用壽命,有望普及應用於大型電網儲能。

盧怡君教授(右)及其團隊成員李喆珺博士(左)研發的「電荷增強型離子選擇性膜」
能大幅提升硫基液流電池的使用壽命,有望普及應用於大型電網儲能。

 

圖為中大研發的「電荷增強型離子選擇性膜」(右)及商業化離子選擇性膜N117(左)的比較。

圖為中大研發的「電荷增強型離子選擇性膜」(右)及商業化離子選擇性膜N117(左)的比較。

 

採用「電荷增強型離子選擇性膜」的硫基液流電池實驗模型。

採用「電荷增強型離子選擇性膜」的硫基液流電池實驗模型。

 

多硫化物-碘液流電池示意圖。使用商業化離子選擇性膜N117導致活性物質交叉污染,加快電池的容量衰退速度;而「電荷增強型離子選擇性膜」可有效阻止活性物質交叉污染,減少自放電,從而提高電池壽命。

多硫化物-碘液流電池示意圖。使用商業化離子選擇性膜N117導致活性物質交叉污染,加快電池的容量衰退速度;而「電荷增強型離子選擇性膜」可有效阻止活性物質交叉污染,減少自放電,從而提高電池壽命。

 

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