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二零一七年四月十二日

儲能技術新突破
中大研發全球最高能量密度水系液流電池



香港中文大學(中大)機械與自動化工程學系助理教授盧怡君教授及其科研團隊最近研發了一種高能量新型鋅-碘溴液流電池,刷新了目前水系液流電池能量密度的紀錄。這項突破性的成果近日在國際知名學術期刊《能源及環境科學》(Energy & Environmental Science發表,並獲英國皇家化學會旗下雜誌《化學世界》(Chemistry World重點報導。 

溴離子(Br-)——釋放能量密度的鑰匙 

水系液流電池是兩種電解液通過離子交換來產生電能的裝置,具有安全、環保、系統設計靈活、壽命長達數十年的特點,是一種極具發展潛力的新型儲能系統。盧教授的研究團隊在鋅-碘液流電池中添加溴離子(Br-)後,其能量密度即時提升至高達每升101 瓦時 (Wh L-1),創造了水系液流電池能量密度的新紀錄,與未添加溴離子(Br-)前相比,電池容量增加了至少20%。

鋅-碘液流電池以高溶解度的碘化鋅作為主要的活性電解液原料,碘離子(I-)和鋅(Zn)分別作為正極與負極的電化學活性物質。該電池中含有一些游離的碘二離子(I2),在充電時,碘離子(I-)為穩定碘二離子(I2),與之結合成為碘三負離子(I3-),使鋅-碘液流電池的循環性保持穩定(經50圈充放電循環後,電池容量保持率高達95%)。然而,那些充當穩定劑而失去自由的碘離子(I-),其在提升電池容量方面的功能白白被浪費。

團隊其後研發了鋅-碘溴液流電池,首次創新地提出在碘溶液中添加溴離子(Br-)來作碘離子(I-)的「替身」。溴離子(Br-)與碘二離子(I2)結合成為碘溴離子(I2Br-),同樣可發揮穩定循環性的作用,而被釋放的碘離子(I-)則可增加電池容量。 

-碘溴液流電池的前景

這種能量密度和循環性能兼備的新儲能系統非常適合應用於市場日益龐大的電動汽車。盧教授表示:「電動汽車如應用這種電池,可大幅降低價格,行駛里程也更長。同時,這種電池更安全,不怕普通的碰撞,這對電動汽車的安全性很有好處。事實上,有一些電池公司已向我們表示有興趣一起合作將技術產業化,我們相信,這項技術有望在未來應用到更高效、更便宜及更大規模的能源儲存上。」 

該項技術發明,經實驗證明有效將所有以碘化物為主的電化學儲能系統的最大理論儲能容量再增加三分之一。在接下來的科研探索中,團隊將致力研發低廉且性能良好的電極材料和膜材料,以繼續優化這種具備前景的儲能系統。 

關於「智能化太陽能技術︰採集、存儲和應用」研究計劃

是項研究是由中大工程學院院長汪正平教授領導的五年研究計劃「智能化太陽能技術︰採集、存儲和應用」的一部份。研究團隊自2014年起獲香港政府研究資助局主題研究計劃資助6,033萬港元,另由中大及其他合作院校分別提供1,380萬港元及300萬港元。該項研究由30多位來自中大、香港理工大學、香港科技大學及香港大學學者共同合作,以提升太陽能發電的效能,讓有關技術更加普及。 

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,並於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。自2013年起,受聘於美國麻省理工學院為附屬研究員。盧教授現為中大機械與自動化工程學系助理教授。盧教授曾獲得多個中大及國際研究及教學獎項,包括中大博文教學獎 (2016)、校長模範教學獎及院長模範教學獎 (2014) 、香港研究資助局傑出青年學者 (2014),美國麻省理工學院Martin Family Society of Fellows for Sustainability (2009) 及台灣國家科學委員會傑出研究創新獎等。 

國際資訊科技博覽2017

是項研究將於4月13至16日在由香港貿發局於香港灣仔會議展覽中心舉行的「國際資訊科技博覽2017」展出,場內將同時展出中大其他多項創新科研項目,歡迎各界人士親臨中大攤位參觀。

日期:2017年4月13至16日
時間:上午9時30分至晚上6時30分(週四至六);
           上午9時30分至下午5時(週日)
地點:香港灣仔博覽道1號香港會議展覽中心
         (中大攤位編號:B04(展館3G))

(左起)中大機械與自動化工程學系博士研究生李喆珺小姐、副研究員翁國明博士、盧怡君教授,以及研究助理譚朗彥先生。
(左起)中大機械與自動化工程學系博士研究生李喆珺小姐、副研究員翁國明博士、盧怡君教授,以及研究助理譚朗彥先生。

研究團隊在實驗室進行研究工作。(左起)翁國明博士、盧怡君教授及李喆珺小姐。
研究團隊在實驗室進行研究工作。(左起)翁國明博士、盧怡君教授及李喆珺小姐。

鋅-碘溴液流電池設計原型的外觀。
鋅-碘溴液流電池設計原型的外觀。

在充電過程中,溴離子(Br-)取代碘三負離子中的碘離子(I-)形成碘溴離子,從而釋放了該部分碘離子以增加儲能容量。
在充電過程中,溴離子(Br-)取代碘三負離子中的碘離子(I-)形成碘溴離子,從而釋放了該部分碘離子以增加儲能容量。

鋅-碘溴液流電池的結構設計圖示。
鋅-碘溴液流電池的結構設計圖示。