中大成就
港產電池儲起再生能源 面向世界
鋰離子電池(下稱鋰電池)自上世紀九十年代面世後,為人類生活帶來了極大的便利,令手機更輕盈、電腦可隨身攜帶、以至促成電動車面世,而三名對鋰電池發展作出重大貢敵的科學家,更在2019年獲得諾貝爾化學獎。
雖然鋰電池用途廣泛,但其易燃問題始終未能完全解決,特別是這種技術正大量用於需要大型儲電的風力和太陽發電場上,一旦因故障起火,後果不堪想像,實非長遠之計。因此,世界各地的科學家和企業都努力開發鋰電池以外的技術,以能安全地大幅增加可再生能源的使用,幫助解決全球暖化的危機,我也是其中一員。
在美國求學時期,我集中研究電池的技術問題,追求高能量密度。來到香港中文大學當教授後,我有空間深入思考能源技術的未來,看得宏觀一點;大學亦給予我自由選擇研究不同的系統和材料。我認清了一點:本質安全、使用低廉物料和有利可持續發展的儲能系統才是我追求的目標。
目前,電池界研發了不同的儲能方案希望取代鋰離子,而液流電池(redox flow battery)被認為是在大型儲能應用中最有機會取代鋰電池的技術。液流電池把電能轉換為化學能儲存在電解液中,待有電力需求時,再把化學能轉為電能輸出。儲存的能量取決盛載着電解液的罐的大小,不用改變電堆結構,因此能輕易提升儲電規模,可用在風力和太陽能發電場,在有風和陽光的時候將產出的剩餘電力儲起備用,有需要時再輸出。
「液流電池」兩突破
釩是最常用於液流電池的化學元素。它本質安全,但釩是昂貴的材料,以致限制了可再生能源大幅使用的可能,亦不能取代鋰電池。因此,科學家一直尋找其他物質製造液流電池。
我選擇了硫(sulphur)。硫是在自然界中十分常見的元素,沒有稀缺和造價昂貴的問題。如果能用它來儲電,每度電的儲電成本將會是全釩液流電池的一千分之一。上世紀八十年代以來,科學家建立了不同種類以多硫化物(polysulfide)為基礎的液流電池系統,但都未能解決多硫離子的交叉污染問題:即微細的多硫離子在充放電過程中由一個電極跑到另一個電極,造成電池能量效率下跌,運轉次數縮短。
十年前,我着手研究硫的時候,大部分人都已經放棄了。但我深信,要做困難但正確的事。硫礦藏豐富,又絕對安全,符合我的價值觀。十年下來,我和團隊克服了兩大關鍵的技術問題:2021年,我們研製出一款「電荷增強型離子選擇性膜」,有效減少多硫離子的交叉污染,提高多硫化物液流電池的壽命,能運作逾2000小時,比先前同類電池的160小時大大提高。那是全球首次有技術成功解決多硫交叉污染。我們的研究發表後,重燃了學界研究這種電池的熱情。
今年十月,我們獲得第二個突破,成功開發分子催化劑,加入一種名為核黄素磷酸鈉(FMN-Na)的有機化合物,大大提高反應速率電池能量效率。
我的初創公司「易池新能」Luquos Energy獲得香港中華煤氣有限公司的投資,正全力進行知識轉移,研發一個儲電量達20千瓦時的液流電池原型,預計明年初會交給煤氣公司使用,是我們將科研成果轉化落地,作商業化的第一步。這電池將投入電動車充電站使用,亦可放於不同用途,例如家居、數據中心的後備電系統、風力和太陽能發電場等。20千瓦時的電池儲電量比Tesla 的Powerwall家用電池(鋰電池)更大,足夠一個美國家庭使用一天。
綠色能源普及化
長遠而言,多硫化物液流電池若為市場接納,可發展為很好的大型儲能系統,無間斷供電6小時甚至更多。中國國策正大幅增加可再生能源包括風力和太陽能的使用,對儲能系統會有龐大需求;歐美地區有很多地方都是「離網」的,即沒有電網基建連接到發電廠,那些地區需要自行收集能源、儲存和輸電的系統,也對大型儲能系統需求甚殷。我和團隊定會加快步伐,讓綠色能源得以普及化。
盧怡君
香港中文大學機械與自動化工程學系教授
文章在2023年11月24日於星島日報刊登