卢怡君 - 储起再生能源 港产电池面向世界｜博文通识

锂离子电池（下称「锂电池」）自上世纪90年代面世后，为人类生活带来了极大的便利，令手机更轻盈、电脑可随身携带、以至促成电动车面世，而3名对锂电池发展作出重大贡献的科学家，更在2019年获得诺贝尔化学奖。

虽然锂电池用途广泛，但其易燃问题始终未能完全解决，特别是这种技术正大量用于需要大型储电的风力和太阳发电场上，一旦因故障起火，后果不堪想像，实非长远之计。因此，世界各地的科学家和企业都努力开发锂电池以外的技术，以能安全地大幅增加可再生能源的使用，帮助解决全球暖化的危机，我也是其中一员。

在美国求学时期，我集中研究电池的技术问题，追求高能量密度。来到香港中文大学当教授后，我有空间深入思考能源技术的未来，看得宏观一点；大学亦给予我自由选择研究不同的系统和材料。我认清了一点：本质安全、使用低廉物料和有利可持续发展的储能系统才是我追求的目标。

目前，电池界研发了不同的储能方案希望取代锂离子，而「液流电池」（redox flow battery）被认为是在大型储能应用中最有机会取代锂电池的技术。液流电池把电能转换为化学能储存在电解液中，待有电力需求时，再把化学能转为电能输出。储存的能量取决盛载着电解液的罐的大小，不用改变电堆结构，因此能轻易提升储电规模，可用于风力和太阳能发电场，在有风和阳光的时候将产出的剩馀电力储起备用，有需要时再输出。

「液流电池」两突破

钒是最常用于液流电池的化学元素。它本质安全，但钒是昂贵的材料，以致限制了可再生能源大幅使用的可能，亦不能取代锂电池。因此，科学家一直寻找其他物质制造液流电池。

我选择了硫（sulphur）。硫是在自然界中十分常见的元素，没有稀缺和造价昂贵的问题。如果能用它来储电，每度电的储电成本将会是全钒液流电池的一千分一。上世纪80年代以来，科学家建立了不同种类以多硫化物（polysulfide）为基础的液流电池系统，但都未能解决多硫离子的交叉污染问题：即微细的多硫离子在充放电过程中由一个电极跑到另一个电极，造成电池能量效率下跌，运转次数缩短。

10年前，我着手研究硫的时候，大部分人都已经放弃了。但我深信，要做困难但正确的事。硫矿藏丰富，又绝对安全，符合我的价值观。10年下来，我和团队克服了两大关键的技术问题：2021年，我们研制出一款「电荷增强型离子选择性膜」，有效减少多硫离子的交叉污染，提高多硫化物液流电池的寿命，能运作逾2000小时，比先前同类电池的160小时大大提高。那是全球首次有技术成功解决多硫交叉污染。我们的研究发表后，重燃了学界研究这种电池的热情。

今年10月，我们获得第二个突破，成功开发分子催化剂，加入一种名为「核黄素磷酸钠」（FMN-Na）的有机化合物，大大提高反应速率及电池能量效率。

我的初创公司「易池新能」（Luquos Energy）获得香港中华煤气有限公司的投资，正全力进行知识转移，研发一个储电量达20千瓦时的液流电池原型，预计明年初会交给煤气公司使用，是我们将科研成果转化落地，作商业化的第一步。这电池将投入电动车充电站使用，亦可用于不同用途，例如家居、数据中心的后备电系统、风力和太阳能发电场等。20千瓦时的电池储电量比Tesla的Powerwall家用电池（锂电池）更大，足够一个美国家庭使用一天。

绿色能源普及化

长远而言，多硫化物液流电池若为市场接纳，可发展为很好的大型储能系统，无间断供电6小时甚至更多。中国国策正大幅增加可再生能源包括风力和太阳能的使用，对储能系统会有庞大需求；欧美地区有很多地方都是「离网」的，即没有电网基建连接到发电厂，那些地区需要自行收集能源、储存和输电的系统，也对大型储能系统需求甚殷。我和团队定会加快步伐，让绿色能源得以普及化。

文：香港中文大学机械与自动化工程学系教授卢怡君

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文章刊于《星岛日报》2023年11月24日教育版专栏「知识转移」。

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