科大研發納米多孔鋅電極 即棄鹼性鋅電池也可充電

2022-07-25
(左起)陳擎教授與其研究團隊成員李良昱(博士後研究員)及肖狄文(博士生)於科大能源研究院實驗室內。工作桌上正是為製造納米多孔鋅金屬電極而設的裝置。

(左起)陳擎教授與其研究團隊成員李良昱(博士後研究員)及肖狄文(博士生)於科大能源研究院實驗室內。工作桌上正是為製造納米多孔鋅金屬電極而設的裝置。

鋅電極納米多孔結構放大10,000倍的3D模型。

鋅電極納米多孔結構放大10,000倍的3D模型。

香港科技大學科大研究團隊成功研製了一款新的電極設計,令日常生活中常見的非充電鹼性鋅電池變成可充電,有助推動更廣泛使用充電

在智慧城市與全球數碼化的時代,電池的重要性與日俱增。然而,市面上大部分電池都是「一次電池」,不能充電。用完即棄的一次電池加重堆填區的負擔更對環境構成嚴重威脅。

與其他種類的次電池相比,鹼性鋅電池生產成本低、安全而且能密度高,常用於手電筒和遙控器等家居用品。由於優眾多,全球各地的研究人員一直努力探索令鹼性鋅電池變為可充電的可能性,但相關的研究尚未令電池達至理想的效果

要把鹼性鋅電池變成可充電並非易事,原因是鋅金屬的化學反應難以逆轉當電池放電時,鋅電極內的鋅顆粒一層厚而不均勻的絕緣鋅氧化物包圍,因而失去了金屬表面和傳子的特性──兩令電極能再次充電的必要因素。

為解決這個問題,由機械及航空航天工程學系及化學系陳擎教授率領的研究團隊,研發了納米多孔鋅金屬電極的新設計,能穩定鋅和鋅氧化物之間的電化學轉變過程。團隊新電極設計用於鹼性「鋅空氣鈕扣電池」測試時,成功把這類常用於助聽器的一次電池變成壽命逾80小時的可充電電池。關鍵是把鋅變成僅闊數百納米的彎曲細絲,交織成滿佈無數小孔的獨立固體。電池放電時,一層薄薄的鋅氧化物在鋅絲上成核,保存了金屬網絡,讓鋅電極可在充電時回到初始結構。

團隊在鹼性鎳鋅電池測試了新電極設計,在接近鋰離子充電池能量密度的條件下將這類充電池的一般5080次充放電週期,倍增至超過200次。

陳教授解釋說:「電池的用途五花百門,難以單一技術滿足所有需要。鋅電池有其獨特優勢我們需要在發揮其最大潛能時,確保鋅電極的微結構能耐受數百次、以至數千次的充放電週期。我們的研究能做到這一點,是通過理解原子如何在液體固體面中自行組織,再由此設計納米多孔結構,解決各種科技上的挑戰。」

陳教授補充指,雖然數百次放電和充電週期不算很多,但鹼性鋅電池在安全度和生產成本這兩方面有明顯優勢,是高爾夫球車、叉式剷車等工業應用的理想選擇。這種電池也適用於新興的需求,例如是數據中心的後備電,這類的應用對於電池充放電的週期次數沒有很高的要求,但對電池的安全性卻有嚴格的要求

陳教授的團隊早於2018年展開研究時便與業界夥伴合作,他們將繼續與業界攜手推動這項潛力優厚的科技邁向商業化。

團隊的研究成果最近於《自然-通訊》發表。

團隊其他成員包括博士後研究李良昱博士、前研究助理曾雍澤、博士生肖狄文、前博士後研究朱國銀博士,以及香港城市大學的支春義教授。

subscribe
註冊收取我們的最新消息