盧怡君 - 儲起再生能源 港產電池面向世界｜博文通識
發佈時間：12:33 2023-11-24
鋰離子電池（下稱「鋰電池」）自上世紀90年代面世後，為人類生活帶來了極大的便利，令手機更輕盈、電腦可隨身攜帶、以至促成電動車面世，而3名對鋰電池發展作出重大貢獻的科學家，更在2019年獲得諾貝爾化學獎。
雖然鋰電池用途廣泛，但其易燃問題始終未能完全解決，特別是這種技術正大量用於需要大型儲電的風力和太陽發電場上，一旦因故障起火，後果不堪想像，實非長遠之計。因此，世界各地的科學家和企業都努力開發鋰電池以外的技術，以能安全地大幅增加可再生能源的使用，幫助解決全球暖化的危機，我也是其中一員。
在美國求學時期，我集中研究電池的技術問題，追求高能量密度。來到香港中文大學當教授後，我有空間深入思考能源技術的未來，看得宏觀一點；大學亦給予我自由選擇研究不同的系統和材料。我認清了一點：本質安全、使用低廉物料和有利可持續發展的儲能系統才是我追求的目標。
目前，電池界研發了不同的儲能方案希望取代鋰離子，而「液流電池」（redox flow battery）被認為是在大型儲能應用中最有機會取代鋰電池的技術。液流電池把電能轉換為化學能儲存在電解液中，待有電力需求時，再把化學能轉為電能輸出。儲存的能量取決盛載着電解液的罐的大小，不用改變電堆結構，因此能輕易提升儲電規模，可用於風力和太陽能發電場，在有風和陽光的時候將產出的剩餘電力儲起備用，有需要時再輸出。
「液流電池」兩突破
釩是最常用於液流電池的化學元素。它本質安全，但釩是昂貴的材料，以致限制了可再生能源大幅使用的可能，亦不能取代鋰電池。因此，科學家一直尋找其他物質製造液流電池。
我選擇了硫（sulphur）。硫是在自然界中十分常見的元素，沒有稀缺和造價昂貴的問題。如果能用它來儲電，每度電的儲電成本將會是全釩液流電池的一千分一。上世紀80年代以來，科學家建立了不同種類以多硫化物（polysulfide）為基礎的液流電池系統，但都未能解決多硫離子的交叉污染問題：即微細的多硫離子在充放電過程中由一個電極跑到另一個電極，造成電池能量效率下跌，運轉次數縮短。
10年前，我着手研究硫的時候，大部分人都已經放棄了。但我深信，要做困難但正確的事。硫礦藏豐富，又絕對安全，符合我的價值觀。10年下來，我和團隊克服了兩大關鍵的技術問題：2021年，我們研製出一款「電荷增強型離子選擇性膜」，有效減少多硫離子的交叉污染，提高多硫化物液流電池的壽命，能運作逾2000小時，比先前同類電池的160小時大大提高。那是全球首次有技術成功解決多硫交叉污染。我們的研究發表後，重燃了學界研究這種電池的熱情。
今年10月，我們獲得第二個突破，成功開發分子催化劑，加入一種名為「核黃素磷酸鈉」（FMN-Na）的有機化合物，大大提高反應速率及電池能量效率。
我的初創公司「易池新能」（Luquos Energy）獲得香港中華煤氣有限公司的投資，正全力進行知識轉移，研發一個儲電量達20千瓦時的液流電池原型，預計明年初會交給煤氣公司使用，是我們將科研成果轉化落地，作商業化的第一步。這電池將投入電動車充電站使用，亦可用於不同用途，例如家居、數據中心的後備電系統、風力和太陽能發電場等。20千瓦時的電池儲電量比Tesla的Powerwall家用電池（鋰電池）更大，足夠一個美國家庭使用一天。
綠色能源普及化
長遠而言，多硫化物液流電池若為市場接納，可發展為很好的大型儲能系統，無間斷供電6小時甚至更多。中國國策正大幅增加可再生能源包括風力和太陽能的使用，對儲能系統會有龐大需求；歐美地區有很多地方都是「離網」的，即沒有電網基建連接到發電廠，那些地區需要自行收集能源、儲存和輸電的系統，也對大型儲能系統需求甚殷。我和團隊定會加快步伐，讓綠色能源得以普及化。
文：香港中文大學機械與自動化工程學系教授盧怡君
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文章刊於《星島日報》2023年11月24日教育版專欄「知識轉移」。
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