澳洲華裔教授研發水系電池 向更安全環保的儲能電池邁進

上週，新州消防員一天內就處理四起鋰離子電池引發的火災。今年以來，僅新州每週就有近六宗鋰離子電池引起的火災，其安全性備受關注。 皇家墨爾本理工大學華裔教授和其研究團隊研發了水系電池「主打安全」。這種創新電池是否能成為未來環保經濟的儲能電池的代表呢？

要點:

• 據報導，去年澳洲發生了1000多宗由鋰離子電池引起的火災；
• 墨爾本華裔教授介紹，其團隊新研發的水系電池使用的「中性水溶液安全而且對環境無污染」。
• 以水系電池、鈉離子電池等為代表的各種新型電池研發可能為未來帶來更安全環保的能源儲存方式，但是能否廣泛推廣尚未可知。

據報導，去年澳洲發生1000多宗由鋰離子電池引起的火災，其安全性備受關注。澳洲競爭和消費者委員會（ACCC）在去年10月5日發表的報告《鋰離子電池與消費品安全》，就鋰離子電池的火災風險向消費者發出警告。

不久前，新州發生一宗與鋰離子電池有關的火災。新州消防與救援局（FRNSW）提到，這可能是新州首例與鋰離子電池相關的火災死亡事件。

就在上週四（3月14日），新州消防員一天之內就處理了四宗鋰離子電池火災。起火的電池來自於電動單車、電動汽車充電站、園藝工具和一輛垃圾車中的鬆動電池。

鋰離子電池的安全問題日益受到關注。

專業人士認為，目前除了增加鋰離子電池的安全性和回收效率，各種新型電池的研發將會帶來更為環保安全的儲能方式。

新型水系電池「主打安全」

皇家墨爾本理工大學（RMIT）大學的馬天翼教授主要研究方向是清潔能源的捕獲、轉化和儲存，尤其是電池的儲存。其中一項新技術是用「水」來代替電池中的有機電解質，被他稱為水系電池。

墨尔本皇家理工大学理学院化学系马天翼教授 Credit: supplied

他認為這種水系電池具有「低生產成本」、「安全」和「不污染環境」等特點。

「鋰離子電池雖然它有許多優勢，比如能量密度大，但是也伴隨著許多安全隱患，比如容易熱失控和短路。電子產品短路就會過熱、著火。」馬天翼教授說。

馬天翼表示，被穿洞的水系電池沒有爆炸或者著火的危險。 圖片來源：SBS/ Shan Kou

這是我們水系電池安全性的一個證明。當我們把這個電池用外力撞開一個洞的時候，即使裡面的電解質有泄漏，它也不會污染環境，也不會燃燒或爆炸。

馬天翼

馬天翼介紹，新研發的紐扣類水系可充電池跟普通紐扣電池在外觀上沒有區別，裡面有像「三文治」一樣的結構，其中納米電極材料是其核心科研技術。

「水系電池的 『水』是中性的水溶液。跟以往的鉛酸電池中的強酸和鋰電池中的有機電解液不同。這種中性水溶液安全而且對環境無污染，可以大大提高這種電池的回收和再利用率。」

我們水系電池就是主打一個安全。

馬天翼

在普通實驗室空氣環境下，他把電極、電極材料、隔膜和水性電解液封裝，向SBS中文演示了一個初步組裝的過程。

他指出，在空氣中的拆卸和組裝是鋰離子電池「暫時做不到的」。

「相比鋰離子電池的密閉生產，新型電池生產工藝環境的簡單化會進一步降低生產成本。」他解釋。

馬天翼教授所製作的水系電池跟鋰離子電池結構對比圖。圖片來源：Dr. Tianyi Ma

澳洲聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）網站顯示，2021年在澳洲只有10%的廢棄鋰離子電池被回收利用，相較之下，99%的傳統鉛酸電池都可以被回收。鋰離子電池廢棄物每年增長20%，到2036年可能超過13.6萬噸。

鋰離子電池的廢棄回收問題迫在眉睫。

存安全隱患且回收率低，鋰電池為何仍在使用？

選擇鋰離子電池的主要原因，馬教授說，是因為「鋰離子是半徑最小的一個金屬元素，它的能量密度最大」。

他表示，新型水系電池跟傳統鉛酸電池一樣，能量密度大概只能達到鋰離子電池的1/4至1/3的水平，所以他認為短期內水系電池沒有辦法代替鋰離子電池，尤其是在動力電池的應用方面。

伍倫貢大學（University of Wollongong）榮休教授（Emeritus Professor）、澳洲工程學院院士劉化鶤在接受SBS中文採訪時也表示，鋰是一種很輕的元素，非常適合動力電池。

「過去CSIRO科學家也研究過用鉛酸電池來作為電動汽車能源，但是因為電池體積過於龐大而沒有繼續。」她說。

澳洲工程院院士、澳大利亞伍倫貢大學榮休教授劉化鶤。圖片來源：提供

澳洲競爭與消費者委員會（ACCC）的《鋰電池和消費品安全》報告提到，鋰離子電池是目前低壓電池產品中最經濟、高效的電池。目前市場上有一些標準鋰離子電池的替代品。除了潛在的安全優勢，這些替代技術也存在一些缺點，如與標準鋰離子電池相比，鋰聚電池更昂貴、壽命更短。

馬天翼教授說：「人們離不開鋰離子電池。只要遵從電池的正確使用規則和管理，遠離極端溫度和潮濕環境，大部分鋰離子電池，尤其是用在個人小型設備中的那些電池的安全性會比較穩定。」

他認為未來鋰離子電池還有非常好的發展前景。

目前針對鋰離子電池的科研熱點之一就是將其中的液態有機電解質換成固態電解質。2023年《自然通訊》的一篇題為《以鋰為技術基礎的電池未來發展的非學術觀點》的文章指出：「汽車行業正在強烈推動有機或者無機『固態電池』，可以說是10年來备受矚目的技術之一。」

劉化鶤教授指出，不止水系電池，目前也有其他許多環保新能源電池的研發工作都在開展中。

她舉例說：「鈉離子電池目前已在中國一些廠家投入生產。因為氯化鈉，也就是人們所說的『鹽』，是可以從海水中直接提取的非常廉價的原材料。而且鈉離子電池的安全性相比鋰離子電池也會高出很多。」

但是不論是鈉離子電池還是水系電池，她認為目前各種新型電池可能都沒辦法直接替代鋰離子電池在動力能源的應用。

馬天翼教授實驗室中測試過的水系可充紐扣電池。 圖片來源：SBS / Shan Kou

未來電池產業發展應該是百花齊放，不同的電池可以針對不同的應用場景。

馬天翼

「基於鋰離子技術的不管是固態的還是液態電解質的，它有高能量密度，更適用於動力電池小空間高能存儲，比如電動汽車。而水系電池還有一些其他流體電池，能量密度低，造價便宜，適用於工業大規模能量存儲，比如風電場和太陽能電廠。」馬天翼解釋。

兩位專家都認為，基於鋰離子技術的電池市場已經較為成熟，新型電池即使研發成功，能否推廣到公眾廣泛使用還需要比較複雜的商業過程和協議。

「生產出來的鈉離子新型電池，有沒有買家很難說。可能需要和鋰離子電池廠商合作。」劉化鶤說。

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