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應對氣候變化和對清潔能源的需求，加上不斷增長的電動汽車和電網儲能系統，有迫切需要研發更先進的電池技術，新一代的電池需具備高安全水平和容量大的特點。

鋰離子電池數十年來一直是最先進的電化學儲能技術，但存在安全，壽命有限以及功率密度不足等問題。主流的商用電池技術主要以碳基作爲陽極，採用液態電解質。商用電解質由鋰鹽構成雙離子導體，其中鋰陽離子和對陰離子在電解質中以反方向移動傳導。在這液態導電體系中，陰離子的移動速度是陽離子的至少四倍，因此鋰陽離子傳導的電流僅佔總離子電流的百分之二十。而由於陰離子不能與碳基電極發生反應，大量陰離子會堆積在電極和電解質的界面，造成電池內部極化，使用壽命有限，以及可燃性和低離子傳導的缺陷。

基於液態電解質的局限，研究人員開始轉移至固態電解質的研究，期望開發安全性高、鋰金陽極兼容能量容量更大的新一代鋰電池。利用鋰金屬作電池陽極，理論上能產生最高的能量容量，但其應用在液態電解質則具有相當的不穩定性。

由香港大學（港大）機械工程系申東明博士領導的研究團隊為新電池技術提出可行方案，團隊研發的一系列陰離子網絡固態電解質，可提高充電電池的安全水平，讓電池有更高功率密度和更長循環壽命。

研究結果已在《化學工程期刊》（Chemical Engineering Journal）發表，文章標題為「可用於鋰金屬電池的硼酸鹽網狀聚合物無溶劑單離子電解質的製備」。

過去研究證實，固態電解質在新一代電池技術中擁有很大的發展前景，因其可以在電池中實現無濃度梯度和快速充電、放電的特點，令電池更安全及有更大功率容量。然而，固態電解質在室溫下較低的離子電導率，局限了搭配固態電解質的鋰電池實現大規模商業化生產的可行性。

申博士研究團隊設計的單離子導電聚合物固態電池，能有效提高其陽離子電導率（至少四倍）。團隊設計了一種陰離子網狀聚合物，能把通過的陰離子捆綁纏繞在其中，透過調控離子選擇性電解質的鏈段運動能力，讓陽離子更快地通過。

陰離子網狀聚合物的結構，由帶有支鏈的聚乙二醇橋接硼根陰離子組成，通過使用不同的聚乙二醇和反應配比，從而調控所得聚合物的鏈段移動能力。團隊嶄新的設計，為研究互穿網絡聚合物中的離子傳導性能提供新思路，有助於製備新一類高電導率電解質的設計規則。

然而，要成功使單離子導電聚合物電解質，仍要克服現有固態電解質的種種困難，包括可循環性低及過電位太高等，預期一套針對選擇性電解質的設計規則，將可促成及實現新一代可充電固態鋰金屬電池的研發。

「我們相信，單離子導電聚合物的應用會為新電池技術開闢可能性，這將掀起一場在可充電電池領域的技術革命，使可充電電池更安全，擁有更高功率密度和更長循環壽命。」由申博士指導的博士生，論文的第一作者高婧宜說。

「把離子選擇性電解質應用在鋰電池，可以實現快速充電，將來把一輛電動汽車重新充滿電，可能只需喝一杯咖啡的時間，這勢將開啟清潔能源的新時代。」申博士補充說。

刊登於《化學工程期刊》的文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138407

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