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中大工程學院利用仿生分子催化劑開發高能效液流電池
- 隨著100個國家在COP28上承諾於2030年將全球可再生能源使用量增加兩倍，大規模儲能的需求必將急劇增加。硫基液流電池可能是最佳解決方案，但其低能量效率是商業化的一大難題。
- 香港中文大學教授提出一種分子催化劑，增加液流電池的反應速度，大幅降低三倍的能耗，使其充電功率提升近六倍。
香港中文大學（中大）工程學院機械與自動化工程學系教授盧怡君教授領導的研究團隊成功研發出了一種仿生的分子催化劑，通過均相催化的方式實現了低成本、高能效的硫基液流電池，成功破解了硫基液流電池動力學不佳的瓶頸問題。該突破性研究最近被世界頂級學術期刊《自然能源》選為12月刊的封面論文。
傳統硫基液流電池的應用受到動力學不佳和低能量效率的限制
在聯合國氣候變化大會（COP28）上，約100個國家承諾於2030年將全球可再生能源使用量增加兩倍，這大大增加了這些國家以至全球對大規模儲能的需求。儘管鋰離子電池通常用於能源儲存，但當數千個電池堆疊在一起時，存在著燃燒和爆炸的風險，不適合應用於大規模儲能。水系液流電池由於具有高安全性、低成本，以及在功率和能量方面有設計靈活性等優點，是大規模儲能中最具競爭力的技術之一。然而，傳統商業化的全釩液流電池由於原材料活性釩的價格高企，窒礙其進一步發展。
相比之下，硫的含量豐富，儲電價格比釩便宜1,000倍，以硫為原材料的硫基液流電池極具吸引力。然而，硫基液流電池在商業化方面仍然存在兩個瓶頸：循環壽命短和能量效率低。2021年，盧教授及其團隊提出了一種電荷增強離子選擇性膜，通過減少多硫化物的穿梭率顯著延長循環壽命，但在其商業化的過程仍存在低能量效率的瓶頸。
分子催化劑作為實現高能效液流電池的「電池維生素」
盧教授團隊提出了一種分子催化劑，核黃素磷酸鈉（FMN-Na），以高能效促進多硫化物的轉化。核黃素，也稱為維生素B2，是一種維生素，常見於食物和膳食補充品中。在人體內，核黃素衍生物還充當起能量載體的作用。受到自然界中電子傳遞鏈的啟發，盧教授和她的團隊採用FMN-Na以加速電池的反應速率。
這種仿生策略可以將能耗大幅降低三倍以上，並將能量效率從53%提高到76%，充電功率增加近六倍。硫鐵液流電池可穩定運行超過2,000個循環（預計壽命超過20年），而這種仿生策略也適用於硫碘液流電池，具有超過1,300個循環的高穩定性。盧教授及其團隊與盧教授創立的儲能初創公司Luquos Energy合作，展示了一個100平方厘米的電池堆，工作電流密度高達100毫安每平方厘米，顯示出巨大的實際應用潛力。
盧教授說：「我們的研究成果表明均相催化是解決多硫化物動力學不佳的有效方法。我們相信這種方法可以廣泛應用於其他液流電池體系。」
《自然能源》12月刊封面
中大機械與自動化工程系的盧怡君教授（右）和博士生雷佳鋒（左）展示使用分子催化劑的硫鐵液流電池原型。
分子催化劑（FMN-Na，左側橙色粉末）和含有分子催化劑的多硫化物電解液（右側液體）。
100平方厘米的硫鐵液流電池堆。
分子催化劑FMN-Na在催化多硫化物還原反應中的反應機制。FMN將多硫化物還原反應從緩慢的電化學過程轉化為快速的化學過程。
