香港中文大學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成功研發一款可用于硫基液流電池（以硫化物為材料的液流電池）的新型「電荷增強型離子選擇性膜」（CRIS）。利用新技術，電池在沒有明顯容量衰減情況下，運作時間大幅提高至逾2000小時，每次充滿電后可持續使用達15小時，解決了長久以來這類電池因使用壽命短、成本高，而未能普及應用于可再生能源大型電網儲能的難題，令液流電池的商業化邁進一大步。研究結果已刊登于國際頂尖期刊《自然》（Nature Energy）。




【硫基液流電池壽命短，難普及應用于大型電網儲能】

水系液流電池是一種新穎的儲能技術，由兩種處于溶液態的電解液通過離子交換來產生電能。相比傳統鋰離子電池，液流電池的優勢在于安全、電量輸出功率大、設計靈活，適合用于風能、太陽能等再生能源的電網儲能裝置，以及可快速換電的電動交通工具等。然而，液流電池的能量密度低且成本高，較難應用于大型電網儲能技術。

有鑒于此，盧教授的團隊早于2016年研發出一種利用廉價且環保的硫化物為基礎的多硫化物-碘液流電池，大幅提升液流電池的能量密度和降低成本，是一種極具潛力的新型液流電池。不過，這款電池采用一般商業用的離子選擇性膜，如應用于儲能需求較大的電網儲能裝置，仍存在活性物質交叉污染及沉積，導致電池容量衰減速度快和壽命短等技術問題。早于90年代，有英國科技公司嘗試開發類似的多硫化物-溴液流電池，最終亦因無法解決電池壽命短的問題而告吹，科學界一直尋求方法突破此技術難題。









【電荷增強型離子選擇性膜，大幅提升電池運作時間】

在多硫化物-碘液流電池的研究基礎上，盧教授進一步構思提升電池循環穩定性和使用壽命的方法。團隊最終從負責分隔正負電極的膜找到靈感，設計出一款「電荷增強型離子選擇性膜」。團隊在商業化離子選擇性膜（產品型號N117）覆蓋一層極薄的高分子材料和高吸附性的碳材料，令帶負電的活性小分子選擇性吸附于比表面積較大的碳微孔中，加強膜表面的負電性，并減少活性物質的流失，從而提高電池的使用壽命，是全球首次利用此技術大幅提高電池的壽命，令電池可有效用于大型電網儲能裝置。

研究顯示，在電池沒有明顯容量衰減情況下，使用商業化膜N117的硫基液流電池一般只能運作160小時（約6.7天），而采用新膜的多硫化物-碘液流電池，其容量衰減率每天僅為0.005%，并能穩定地循環逾1,200圈，即可運作逾2,000小時（約3個月）。另外，新電池的放電庫倫效率高達99.9%，每次充滿電后可持續使用長逾15小時，遠遠優勝于使用商業化膜N117的硫基液流電池或鋰電池（充滿電后只能持續使用約3至4小時）。

當采用了新電池的儲能裝置在持續放電時長超過15小時的狀態下工作，其儲能均化成本亦較其他先進的液流電池體系為低。此外，新膜的適用性高，可用于其他高能量密度的液流電池體系，例如硫-溴、硫-鐵及有機液流電池等，以提高電池的循環穩定性。

盧教授表示：「這款新型離子選擇性膜解決了液流電池長久以來因活性物質交叉污染而導致電池使用壽命短的技術難題。同時，這款獨特的膜設計將促進價格低廉的硫基液流電池進一步商業化，并為高選擇性離子交換膜的研究和發展提供全新的方向。」（《中國基建報》記者 林雨潤 香港報道）