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香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系副教授盧怡君教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)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(qiáng)型離子選擇性膜」（CRIS）。利用新技術(shù)，電池在沒有明顯容量衰減情況下，運(yùn)作時(shí)間大幅提高至逾2000小時(shí)，每次充滿電后可持續(xù)使用達(dá)15小時(shí)，解決了長(zhǎng)久以來這類電池因使用壽命短、成本高，而未能普及應(yīng)用于可再生能源大型電網(wǎng)儲(chǔ)能的難題，令液流電池的商業(yè)化邁進(jìn)一大步。研究結(jié)果已刊登于國(guó)際頂尖期刊《自然》（Nature Energy）。
【硫基液流電池壽命短，難普及應(yīng)用于大型電網(wǎng)儲(chǔ)能】
水系液流電池是一種新穎的儲(chǔ)能技術(shù)，由兩種處于溶液態(tài)的電解液通過離子交換來產(chǎn)生電能。相比傳統(tǒng)鋰離子電池，液流電池的優(yōu)勢(shì)在于安全、電量輸出功率大、設(shè)計(jì)靈活，適合用于風(fēng)能、太陽(yáng)能等再生能源的電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置，以及可快速換電的電動(dòng)交通工具等。然而，液流電池的能量密度低且成本高，較難應(yīng)用于大型電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)。
有鑒于此，盧教授的團(tuán)隊(duì)早于2016年研發(fā)出一種利用廉價(jià)且環(huán)保的硫化物為基礎(chǔ)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(yè)用的離子選擇性膜，如應(yīng)用于儲(chǔ)能需求較大的電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置，仍存在活性物質(zhì)交叉污染及沉積，導(dǎo)致電池容量衰減速度快和壽命短等技術(shù)問題。早于90年代，有英國(guó)科技公司嘗試開發(fā)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(xué)界一直尋求方法突破此技術(shù)難題。
【電荷增強(qiáng)型離子選擇性膜，大幅提升電池運(yùn)作時(shí)間】
在多硫化物-碘液流電池的研究基礎(chǔ)上，盧教授進(jìn)一步構(gòu)思提升電池循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命的方法。團(tuán)隊(duì)最終從負(fù)責(zé)分隔正負(fù)電極的膜找到靈感，設(shè)計(jì)出一款「電荷增強(qiáng)型離子選擇性膜」。團(tuán)隊(duì)在商業(yè)化離子選擇性膜（產(chǎn)品型號(hào)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(fù)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(qiáng)膜表面的負(fù)電性，并減少活性物質(zhì)的流失，從而提高電池的使用壽命，是全球首次利用此技術(shù)大幅提高電池的壽命，令電池可有效用于大型電網(wǎng)儲(chǔ)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(yè)化膜N117的硫基液流電池一般只能運(yùn)作160小時(shí)（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(wěn)定地循環(huán)逾1,200圈，即可運(yùn)作逾2,000小時(shí)（約3個(gè)月）。另外，新電池的放電庫(kù)倫效率高達(dá)99.9%，每次充滿電后可持續(xù)使用長(zhǎng)逾15小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)勝于使用商業(yè)化膜N117的硫基液流電池或鋰電池（充滿電后只能持續(xù)使用約3至4小時(shí)）。
當(dāng)采用了新電池的儲(chǔ)能裝置在持續(xù)放電時(shí)長(zhǎng)超過15小時(shí)的狀態(tài)下工作，其儲(chǔ)能均化成本亦較其他先進(jìn)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(jī)液流電池等，以提高電池的循環(huán)穩(wěn)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(zhǎng)久以來因活性物質(zhì)交叉污染而導(dǎo)致電池使用壽命短的技術(shù)難題。同時(shí)，這款獨(dú)特的膜設(shè)計(jì)將促進(jìn)價(jià)格低廉的硫基液流電池進(jìn)一步商業(yè)化，并為高選擇性離子交換膜的研究和發(fā)展提供全新的方向。」（《中國(guó)基建報(bào)》記者 林雨潤(rùn) 香港報(bào)道）
【硫基液流電池壽命短，難普及應(yīng)用于大型電網(wǎng)儲(chǔ)能】
水系液流電池是一種新穎的儲(chǔ)能技術(shù)，由兩種處于溶液態(tài)的電解液通過離子交換來產(chǎn)生電能。相比傳統(tǒng)鋰離子電池，液流電池的優(yōu)勢(shì)在于安全、電量輸出功率大、設(shè)計(jì)靈活，適合用于風(fēng)能、太陽(yáng)能等再生能源的電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置，以及可快速換電的電動(dòng)交通工具等。然而，液流電池的能量密度低且成本高，較難應(yīng)用于大型電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)。
有鑒于此，盧教授的團(tuán)隊(duì)早于2016年研發(fā)出一種利用廉價(jià)且環(huán)保的硫化物為基礎(chǔ)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(yè)用的離子選擇性膜，如應(yīng)用于儲(chǔ)能需求較大的電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置，仍存在活性物質(zhì)交叉污染及沉積，導(dǎo)致電池容量衰減速度快和壽命短等技術(shù)問題。早于90年代，有英國(guó)科技公司嘗試開發(fā)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(xué)界一直尋求方法突破此技術(shù)難題。
【電荷增強(qiáng)型離子選擇性膜，大幅提升電池運(yùn)作時(shí)間】
在多硫化物-碘液流電池的研究基礎(chǔ)上，盧教授進(jìn)一步構(gòu)思提升電池循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命的方法。團(tuán)隊(duì)最終從負(fù)責(zé)分隔正負(fù)電極的膜找到靈感，設(shè)計(jì)出一款「電荷增強(qiáng)型離子選擇性膜」。團(tuán)隊(duì)在商業(yè)化離子選擇性膜（產(chǎn)品型號(hào)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(fù)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(qiáng)膜表面的負(fù)電性，并減少活性物質(zhì)的流失，從而提高電池的使用壽命，是全球首次利用此技術(shù)大幅提高電池的壽命，令電池可有效用于大型電網(wǎng)儲(chǔ)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(yè)化膜N117的硫基液流電池一般只能運(yùn)作160小時(shí)（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(wěn)定地循環(huán)逾1,200圈，即可運(yùn)作逾2,000小時(shí)（約3個(gè)月）。另外，新電池的放電庫(kù)倫效率高達(dá)99.9%，每次充滿電后可持續(xù)使用長(zhǎng)逾15小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)勝于使用商業(yè)化膜N117的硫基液流電池或鋰電池（充滿電后只能持續(xù)使用約3至4小時(shí)）。
當(dāng)采用了新電池的儲(chǔ)能裝置在持續(xù)放電時(shí)長(zhǎng)超過15小時(shí)的狀態(tài)下工作，其儲(chǔ)能均化成本亦較其他先進(jìn)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(jī)液流電池等，以提高電池的循環(huán)穩(wěn)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(zhǎng)久以來因活性物質(zhì)交叉污染而導(dǎo)致電池使用壽命短的技術(shù)難題。同時(shí)，這款獨(dú)特的膜設(shè)計(jì)將促進(jìn)價(jià)格低廉的硫基液流電池進(jìn)一步商業(yè)化，并為高選擇性離子交換膜的研究和發(fā)展提供全新的方向。」（《中國(guó)基建報(bào)》記者 林雨潤(rùn) 香港報(bào)道）
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