香港城市大学副教授支春义带领李洪飞(左), 唐子杰(右)等博士生研究出一种水系锌电池. 图为三人分别手持封装后的锌电池以及用来制造两个电极的二氧化锰材料和锌片. (图片来自港媒)
20多年来, 锂电池在充电池市场上, 堪称一枝独秀, 但不能弯曲和不耐高温, 容易起火等安全隐忧, 一直是锂电池的弱点. 据港媒报道, 近期, 香港城市大学师生研究出一种水系锌电池, 以柔软和安全作卖点, 有望在穿戴式电子产品等部分用途上, 挑战锂电池的地位.
香港城市大学科学及工程学院副教授支春义说, 以锌为基础的电池(以下简称 '锌电池' )已有百年多历史, 是世界上第二种商业化的电池, 只比铅酸电池稍迟. 不过, 以往的锌电池主要是一次使用. 此外, 以往的锌电池的充放电性能一直不理想, 充放电次数太少. 直至3年多前, 大学内研究的水系锌电池(其电解质含水), 只可充放电100次至300次.
支春义和一批博士生在3年多前, 开始研究水系锌电池, 初期遇到很多困难. 两年前, 他们弃用强碱性电解质, 改用弱酸性电解质, 并将其中一个电极改用纳米二氧化锰材料, 取得重大突破, 将充放电次数大增至1000次以上;而且在充放电1000次后, 其储电量仍然可以维持在最初的97%.
几年前, 软性锂电池仍未真正商业化生产, 他们希望开发软性水系锌电池, 以满足市场应用和需要, 例如穿戴式电子产品等. 由于水系锌电池的电解质原为液态, 较难封装和较易泄漏, 所以他们加入 '水凝胶' , 令电解质变成半固态, 既可保持柔软和可弯曲的特性, 同时较容易封装, 万一封装出现破损, 电解质也不会泄漏.
此外, 由于水系锌电池的电解质含水, 所以其本质就不易燃, 比锂电池的有机电解质安全. 经过改良后, 他们研发的水系锌电池在极恶劣的工作环境中, 如撞击, 切割, 火烧, 弯折等, 也不会爆炸或起火, 并能够继续提供稳定的电源, 安全程度大大提高.
支春义乐观估计, 他们研发的水系锌电池, 在穿戴式电子产品, 智能服装, 医学产品, 美容产品, 婴儿用品, 宠物用品, 电子书阅读器等市场潜力具大. 应用在计算机电池方面, 也有优势, 因为它不易燃的特点, 理论上, 带上飞机应该不会有容量限制.
根据美国地质调查局的数据, 目前全球已探明的锂资源储量合计超过5300万吨, 锂储量约1447万吨. 全球已探明锌资源储量约19亿吨, 锌储量约2.3亿吨. 因此, 锌的价格要比锂更低廉. 用来制成电池, 以同一储电量作比较, 锌电池成本会比锂电池低.
支春义认为, 由于电动车对续航力要求高, 锂电池能量密度较高, 相信仍会在这个市场占优势. 但考虑到锂电池的安全性, 成本以及锂金属在地球上的储量等因素, 他相信, 锂电池未来不太可能独霸所有充电池市场.
参与研发工作的博士生李洪飞和唐子杰均认为, 锂电池由1996年开始在移动电话市场冒起, 至今才不过20余年, 在电动车市场的历史更短, 所以锂的产量暂时未有问题. 但随着部分国家限期要求汽车厂停产燃油车, 全面转为生产纯电动车, 可能引致锂产量不足和价格上升的问题. 锌储量较多和成本较低, 锌电池未来的前景值得看好, 相信一定可以在充电池市场上占据席位.
在2018年的 '挑战杯' 全国赛香港区选拔赛(香港大学生创新及创业大赛)中, 他们的研究项目获得能源化工组别二等奖. 现在, 支春义和他带领的10多名博士生正在计划, 在今年底或明年初小量试产他们研发的水系锌电池, 完全商品化则要到2020年中.
