香港城市大學副教授支春義帶領李洪飛(左), 唐子傑(右)等博士生研究出一種水系鋅電池. 圖為三人分別手持封裝後的鋅電池以及用來製造兩個電極的二氧化錳材料和鋅片. (圖片來自港媒)
20多年來, 鋰電池在充電池市場上, 堪稱一枝獨秀, 但不能彎曲和不耐高溫, 容易起火等安全隱憂, 一直是鋰電池的弱點. 據港媒報道, 近期, 香港城市大學師生研究出一種水系鋅電池, 以柔軟和安全作賣點, 有望在穿戴式電子產品等部分用途上, 挑戰鋰電池的地位.
香港城市大學科學及工程學院副教授支春義說, 以鋅為基礎的電池(以下簡稱 '鋅電池' )已有百年多曆史, 是世界上第二種商業化的電池, 只比鉛酸電池稍遲. 不過, 以往的鋅電池主要是一次使用. 此外, 以往的鋅電池的充放電性能一直不理想, 充放電次數太少. 直至3年多前, 大學內研究的水系鋅電池(其電解質含水), 只可充放電100次至300次.
支春義和一批博士生在3年多前, 開始研究水系鋅電池, 初期遇到很多困難. 兩年前, 他們棄用強堿性電解質, 改用弱酸性電解質, 並將其中一個電極改用納米二氧化錳材料, 取得重大突破, 將充放電次數大增至1000次以上;而且在充放電1000次後, 其儲電量仍然可以維持在最初的97%.
幾年前, 軟性鋰電池仍未真正商業化生產, 他們希望開發軟性水系鋅電池, 以滿足市場應用和需要, 例如穿戴式電子產品等. 由於水系鋅電池的電解質原為液態, 較難封裝和較易泄漏, 所以他們加入 '水凝膠' , 令電解質變成半固態, 既可保持柔軟和可彎曲的特性, 同時較容易封裝, 萬一封裝出現破損, 電解質也不會泄漏.
此外, 由於水系鋅電池的電解質含水, 所以其本質就不易燃, 比鋰電池的有機電解質安全. 經過改良後, 他們研發的水系鋅電池在極惡劣的工作環境中, 如撞擊, 切割, 火燒, 彎折等, 也不會爆炸或起火, 並能夠繼續提供穩定的電源, 安全程度大大提高.
支春義樂觀估計, 他們研發的水系鋅電池, 在穿戴式電子產品, 智能服裝, 醫學產品, 美容產品, 嬰兒用品, 寵物用品, 電子書閱讀器等市場潛力具大. 應用在計算機電池方面, 也有優勢, 因為它不易燃的特點, 理論上, 帶上飛機應該不會有容量限制.
根據美國地質調查局的數據, 目前全球已探明的鋰資源儲量合計超過5300萬噸, 鋰儲量約1447萬噸. 全球已探明鋅資源儲量約19億噸, 鋅儲量約2.3億噸. 因此, 鋅的價格要比鋰更低廉. 用來製成電池, 以同一儲電量作比較, 鋅電池成本會比鋰電池低.
支春義認為, 由於電動車對續航力要求高, 鋰電池能量密度較高, 相信仍會在這個市場佔優勢. 但考慮到鋰電池的安全性, 成本以及鋰金屬在地球上的儲量等因素, 他相信, 鋰電池未來不太可能獨霸所有充電池市場.
參與研發工作的博士生李洪飛和唐子傑均認為, 鋰電池由1996年開始在行動電話市場冒起, 至今才不過20餘年, 在電動車市場的曆史更短, 所以鋰的產量暫時未有問題. 但隨著部分國家限期要求汽車廠停產燃油車, 全面轉為生產純電動車, 可能引致鋰產量不足和價格上升的問題. 鋅儲量較多和成本較低, 鋅電池未來的前景值得看好, 相信一定可以在充電池市場上佔據席位.
在2018年的 '挑戰杯' 全國賽香港區選拔賽(香港大學生創新及創業大賽)中, 他們的研究項目獲得能源化工組別二等獎. 現在, 支春義和他帶領的10多名博士生正在計劃, 在今年底或明年初小量試產他們研發的水系鋅電池, 完全商品化則要到2020年中.
