image: (From left) Prof. Chen Qing and his research group members Dr. Li Liangyu (postdoctoral fellow) and Xiao Diwen (PhD student) at the lab of HKUST Energy Institute. On the lab bench is a set-up for fabricating the nanoporous zinc metal electrode. view more
Credit: HKUST
在智慧城市與全球數碼化的時代，電池的重要性與日俱增。然而，市面上大部分電池都是「一次電池」，不能充電。用完即棄的一次電池不但加重堆填區的負擔，更對環境構成嚴重威脅。
與其他種類的一次電池相比，鹼性鋅電池生產成本低、安全，而且能量密度高，常用於手電筒和遙控器等家居用品。由於優點眾多，全球各地的研究人員一直努力探索令鹼性鋅電池變為可充電的可能性，但相關的研究尚未令電池達至理想的效果。
要把鹼性鋅電池變成可充電並非易事，原因是鋅金屬的電化學反應難以逆轉。當電池放電時，鋅電極內的鋅顆粒被一層厚而不均勻的絕緣鋅氧化物包圍，因而失去了金屬表面和傳導電子的特性──兩項令電極能再次充電的必要因素。
為解決這個問題，由機械及航空航天工程學系及化學系陳擎教授率領的研究團隊，研發了納米多孔鋅金屬電極的新設計，能穩定鋅和鋅氧化物之間的電化學轉變過程。團隊把新電極設計用於鹼性「鋅空氣鈕扣電池」測試時，成功把這類常用於助聽器的一次電池變成壽命逾80小時的可充電電池。關鍵是把鋅變成僅闊數百納米的彎曲細絲，交織成滿佈無數小孔的獨立固體。電池放電時，一層薄薄的鋅氧化物在鋅絲上成核，保存了金屬網絡，讓鋅電極可在充電時回到初始結構。
團隊也在鹼性「鎳鋅電池」測試了新電極設計，在接近鋰離子充電池能量密度的條件下，將這類充電池的一般50至80次充放電週期，倍增至超過200次。
陳教授解釋說：「電池的用途五花百門，難以由單一技術滿足所有需要。鋅電池有其獨特優勢，但我們需要在發揮其最大潛能時，確保鋅電極的微結構能耐受數百次、以至數千次的充放電週期。我們的研究能做到這一點，是通過理解原子如何在液體固體界面中自行組織，再由此設計納米多孔結構，解決各種科技上的挑戰。」
陳教授補充指，雖然數百次放電和充電週期不算很多，但鹼性鋅電池在安全度和生產成本這兩方面有明顯優勢，是高爾夫球車、叉式剷車等工業應用的理想選擇。這種電池也適用於新興的需求，例如是數據中心的後備電，這類的應用對於電池充放電的週期次數沒有很高的要求，但對電池的安全性卻有嚴格的要求。
陳教授的團隊早於2018年展開研究時便與業界夥伴合作，他們將繼續與業界攜手推動這項潛力優厚的科技邁向商業化。
團隊的研究成果最近於《自然－通訊》發表。
團隊的其他成員包括博士後研究員李良昱博士、前研究助理曾雍澤、博士生肖狄文、前博士後研究員朱國銀博士，以及香港城市大學的支春義教授。
Journal
Nature Communications
Article Title
Phase-transition tailored nanoporous zinc metal electrodes for rechargeable alkaline zinc-nickel oxide hydroxide and zinc-air batteries
Article Publication Date
24-May-2022