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由香港中文大學（中大）機械與自動化工程學系副教授盧怡君教授領導的研究團隊，利用一種護膚霜常用成分研發了一款水系鋰離子電池電解液。它的材料成本低且不易燃、毒性低，相對環保，更能提供穩定的電壓作日常使用，朝改善水系鋰離子電池的性能邁進了一大步。研究結果已刊登於國際期刊《自然材料》。

鋰離子電池的未來：從易燃有機液到安全水系

全球經濟以至人類日常生活愈來愈依賴各類型電子設備，例如手機和筆記型電腦等等。鋰離子電池因為能提供相對穩定的能量，而且可以再充電重複使用，成為了這些電子產品的核心要素。然而，鋰離子電池長久以來都是用有機電解液為主要成分。即使經過多年改良，這些電解液仍然含有毒性及高度易燃，有機會引發致命事故，例如三星手機爆炸、波音新型客機鋰離子電池起火等，均顯示鋰離子電池未能讓人完全安心使用。

科學界近年深入研究以水系電解液取代傳統有機電解液，因水的特質可解決易燃問題。然而，水系鋰離子電池的電壓和能量密度受到水電解限制，當電壓高於1.23伏特，電解液中的水分子便會分解為氫氣及氧氣，大大影響電池運作及電壓輸出穩定。增加水系電池電壓的新興做法是利用高濃度鋰鹽製造人工固體電極介面及減少自由水含量，以改善水的穩定性，但使用高濃度鋰鹽會令成本大增及有高毒性的問題。

護膚霜成分可穩定水系電解液活性

盧教授的研究團隊在先前對水系鋰離子電池的研究基礎上，利用生物界「分子擁擠」（molecular crowding）現象，希望以毒性低的材料作為水系電解液的穩定劑，以大幅減少電解液有毒鋰鹽／離子化合物的濃度。

「分子擁擠」現象常見於生物細胞，當大分子（例如蛋白質、複合糖、多醣等）或親水小分子（代謝物、滲透物質等）的濃度達到一個高水平，溶劑分子的某些特性便會被改變。例如在高濃度複合糖的環境，水中的氫鍵結構會被改變，導致水分子活性大大降低。

盧教授團隊利用聚乙二醇取代高濃度鋰鹽／離子化合物，在電解液擬造出「分子擁擠」現象，以抑制水分子活性。聚乙二醇是一種水溶性聚合物，易於摻入含水溶液中，它也是許多護膚霜和潤滑劑的原料，在一些牙膏、食品和飲料中亦會看見它的蹤影。

使用這種穩定劑，並以錳酸鋰（LiMn₂O₄）為正極、鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）作負極材料，盧教授的研究團隊成功地在低鹽濃度的情況下把電解液的穩定電壓視窗擴大到3.2伏特。經過300次充放電，該水系電池的能量密度穩定在每公斤75至110 瓦特小時；透過凝膠包覆最高電壓更可達到4.0伏特。電化學質譜顯示，水系鋰離子電池的常見問題，包括析氫/氧的化學反應，基本上都能被消除。實驗表明該水系電解液接觸明火後不會燃燒，其安全性相對於商用電解液有了大幅提高。

盧教授表示：「這款新型電解液更讓許多本來在傳統水系電解液中不能使用的電極材料發揮其作用。是次研究結果為設計擁有高電壓及高穩定性的水系電解液提供了一個全新的平台，有助於研發更安全、低成本、環保的儲電系統。」

關於盧怡君教授

盧教授2007年於臺灣國立清華大學取得材料工程學系本科學位，並於2012年在美國麻省理工學院材料科學及工程學系取得博士學位。自2013年起，受聘於美國麻省理工學院為附屬研究員。盧教授去年成為港澳地區首批獲頒國家優秀青年科學基金（2019）的年輕科學家，並獲得資助，集中研究電化學能源存儲與材料介面科學，冀發展穩定以及低成本的能源存儲系統。

盧教授是香港青年科學院的創會成員以及英國皇家化學會《Journal of Materials Chemistry A》副主編，曾獲得多個中大及國際研究及教學獎項，包括中大博文教學獎（2016）、校長模範教學獎及院長模範教學獎（2014）、香港研究資助局傑出青年學者（2014）、美國麻省理工學院Martin Family Society of Fellows for Sustainability（2009）及臺灣國家科學委員會傑出研究創新獎（2007）。

中大工程學院製作了一段短片，示範電解液的製作過程、燃燒及電力測試，可按此瀏覽。

參考文獻：
Xie, J., Liang, Z. & Lu, Y. Molecular crowding electrolytes for high-voltage aqueous batteries. Nat. Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0667-y