港研發水系鋅電池 挑戰鋰電池

文章日期:2018年6月15日

【明報專訊】自從1990年後期以來,鋰電池在充電池市場上,至今仍然一枝獨秀,但不能彎曲和不耐高溫、容易起火等安全隱憂,一直是鋰電池的弱點。近期,城市大學師生研究出一種水系鋅電池,以柔軟彈性和安全作賣點,希望在穿戴式電子產品等部分用途上,挑戰鋰電池的地位。

城市大學科學及工程學院材料科學及工程學系副教授支春義表示,以鋅為基礎的電池(以下簡稱「鋅電池」)已有百多年歷史,是世界上第二種商業化的電池,只比鉛酸電池稍遲。不過,以往的鋅電池主要是一次過使用。此外,以往的鋅電池的充放電性能一直不理想,充放電次數太少;直至3年多前,大學內研究的水系鋅電池(其電解質含水),只可以充放電100次至300次。

支春義和一批博士生在3年多前,開始研究水系鋅電池,初期遇到很多困難。兩年前,他們棄用強鹼性電解質,改用弱酸性電解質,並將其中一個電極改用納米二氧化錳材料,取得重大突破,將充放電次數大增至1000次以上;而且在充放電1000次後,其儲電量仍然可以維持在最初的97%。

幾年前軟性鋰電池仍未真正商業化生產,他們亦希望開發軟性水系鋅電池,以滿足市場上應用和需要,例如穿戴式電子產品等。由於水系鋅電池的電解質原為液態,較難封裝和較易洩漏,所以他們加入「水凝膠」(Hydrogel),令其電解質變成半固態,既可保持柔軟和可彎曲的特性,同時較容易封裝,萬一封裝出現破損,電解質亦不會泄漏。

應用層面廣而安全 市場發展潛力大

此外,由於水系鋅電池的電解質含水,所以其本質就是不易燃的,比鋰電池的有機電解質安全。經過改良後,他們研發的鋅電池在極惡劣的工作環境中,如撞擊、切割、火燒、彎折等,也不會爆炸或起火等,並能夠繼續提供穩定的電源,安全程度大大提高。

在訪問期間,參與研發工作的城大博士生李洪飛和唐子杰就應記者要求,示範多種情况,以體現所研發的電池擁有的軟性及安全特點。

支春義樂觀估計,他們研發的水系鋅電池,在穿戴式電子產品、智能服裝、醫學產品、美容產品、嬰兒用品、寵物用品、電子書閱讀器等市場潛力具大。應用在電腦電池方面,也有優勢,因為它不易燃的特點,理論上,帶上飛機應該不會有容量限制。雖然鋅電池的重量能量密度和體積能量密度現時大約為鋰電池的60%,不算差距太遠。

支春義表示,納米及先進材料研發院(NAMI)在年前研發成功的軟性鋰電池,雖未正式推出市場,但他認為兩者將來或可互補不足。一些對能量密度要求較高的應用,可能會選擇NAMI研發的軟性鋰電池;對能量密度要求不太高,更注重柔軟、纖薄、安全和成本等,或會選擇他們研發的鋅電池。

鋅儲量多成本低 料充電池市場佔一席位

根據美國地質調查局(USGS)的數據,目前全球已探明的鋰資源儲量合計超過5300萬噸,鋰儲量約1447萬噸;全球已探明鋅資源儲量約19億噸,鋅儲量約2.3億噸。因此,鋅的價格要比鋰更廉宜。用來製成電池,以同一儲電量(每Wh)作比較,鋅電池成本會比鋰電池低。

支春義認為,由於電動車對續航力要求高,鋰電池能量密度較高,相信仍會在這個市場佔優勢;但考慮到鋰電池的安全性、成本,以及鋰金屬在地球上的儲量等因素,他相信,鋰電池未來不太可能獨霸所有充電池市場。

參與研發工作的博士生李洪飛和唐子杰均認為,鋰電池由1996年開始在流動電話市場冒起,至今才不過20餘年,在電動車市場的歷史更短,所以鋰的產量暫時未有問題;但隨着部分國家限期要求汽車廠停產燃油車、全面轉為生產純電動車,可能引致鋰產量不足和價格上升的問題。鋅儲量較多和成本較低,鋅電池未來的前景值得看好,相信一定可以在充電池市場上佔一席位。

準備小量試產 冀2020年商品化

在2018年的「挑戰盃」全國賽香港區選拔賽(香港大學生創新及創業大賽)中,他們的研究項目獲得能源化工組別二等獎。現時,支春義和他帶領的10多名博士生正計劃,在今年底或明年初小量試產他們研發的水系鋅電池,完全商品化相信要到2020年中。

明報記者 薛偉傑

[企業創富]

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