科大研發創新「仿生軟骨納米塗層」技術 有望大幅延長電池壽命

香港科技大學（科大）帶領的研究團隊近日在電池儲能技術上取得重大突破，有望大幅延長智慧型電話及電動車電池的壽命。團隊以人體軟骨為靈感，研發出創新的「仿生軟骨納米塗層」，可從源頭有效抑制電池正極物料的老化與損耗。新技術不僅能讓電池在經歷千次充放電後仍維持極高容量，更為下一代高穩定性鎳基鋰電池的產業應用開闢嶄新路徑。

是次研究由科大化學及生物工程學系講座教授陳國華教授帶領，團隊成員包括科大化學及生物工程學系研究助理教授兼科大博士畢業生劉強博士，以及化學及生物工程學系博士後研究員劉雨桐博士。部分工作是劉雨桐博士在香港理工大學（理大）攻讀博士期間完成。該研究已於國際頂尖學術期刊《自然─納米技術》上發表，論文題為「透過記憶聚合物納米塗層在易碎電池正極活性物料中實現應力的動態去局域化」。

「人類軟骨」啟發高能量電池技術突破

鋰離子電池廣泛應用於智慧型電話、電動車及各類電子產品。隨著全球對高能量電池的需求與日俱增，高鎳正極材料被視為電池發展的重要方向。然而，這類材料在充電及放電的過程中，會因為鋰離子的頻繁嵌入及脫出，而導致體積變化，並產生顯著的內部應力，繼而導致「晶間開裂」（intergranular cracking），長遠影響電池容量和使用壽命。

為解決此難題，研究團隊從人體關節中的軟骨組織得到靈感。團隊表示，人體軟骨能改變形態分散外來應力，保護骨骼免受損傷。團隊將這機制應用在電池的納米設計上，研發出兼具強度及變形能力的聚合物塗層p(BA-V4D4)，並透過「引發式化學氣相沉積」（initiated Chemical Vapour Deposition，iCVD）先進技術，在電池的初級顆粒表面沉積一層厚度約14納米、均勻覆蓋的聚合物層，為電池脆弱的內部晶界建構如人體軟骨般具緩衝作用的保護層，從而維持電池長時間迴圈的穩定性。

論文的共同通訊作者、劉強博士解釋道：「團隊利用柔性固體應變所產生的應力去局域化機制，成功抑制『晶間開裂』。團隊對電池聚合物的結構進行了精准設計，在柔韌性與強度之間取得平衡。利用團隊研發的iCVD技術，可將納米塗層融入寬度僅為10至20納米、深度達4,000納米的狹窄晶界通道內，發揮有如人體軟骨般的反復緩衝功用。」

論文的共同第一作者、劉雨桐博士表示：「傳統方法無法深入正極物料的晶界，亦難以精准調控聚合物的機械特性。iCVD技術則能將反應物無縫傳輸至這些邊界，並形成保護塗層。我們已成功將此技術應用於高鎳三元及商用磷酸鐵鋰（LiFePO₄）材料上，充分展示其廣泛的應用潛力。」

促進固態電池發展及產業應用

論文的共同通訊作者、陳國華教授回顧是次研究並補充說：「早於2005年我在麻省理工學院學術訪問期間，便誕生了將CVD聚合物塗層應用於能量儲存材料的構思。當時，CVD聚合物塗層已成功應用於藥物顆粒的控制釋放。我們很自豪能成為首支率先在鋰離子電池材料上應用CVD技術的研究團隊，並證明了此技術除了可用於導電聚合物（團隊早年於《自然─能源》發表的研究），更可應用於其他功能性聚合物材料，例如是次採用的 p(BA-V4D4)。」

展望未來，陳教授表示，團隊正研究把有關技術應用在固態電池上，並進一步解決高能量密度和安全性之間的關鍵技術挑戰。另外，團隊亦正積極將技術量產，以實現1,000公斤級別塗層顆粒量產為目標，支援3C電子產品、電動車及電動垂直起降飛行器（eVTOL）等領域的產業應用。

是次研究為本港及內地多所大學及機構的專家們，在材料合成、表徵分析及資料科學等領域，共同完成的重要科研成果。共同第一作者為劉雨桐博士（理大／科大）、左文華教授（廈門大學）及王偉博士（理大博士畢業生）。主要貢獻學者包括俞海龍博士與黃學傑教授（中國科學院物理研究所）、劉翔教授（北京航空航太大學）、阮海輝教授及林聰博士（理大）、張凱博士（中國科學院高能物理研究所）、杜柯教授（中南大學），以及潘鋒教授（北京大學深圳研究生院）。