【嶺創新知】「水系電池」不易燃燒 降低火災風險
近年有關外置充電器、手機，以至電動車電池起火的新聞並不少見。我們每天使用的智能手機、平板電腦，以及日益普及的電動車，其實都離不開同一項核心技術——鋰離子電池。毫無疑問，鋰電池改變了世界。它令便攜式電子產品變得輕巧，讓電動車能夠走得更遠，也讓太陽能、風能等綠色能源有機會被儲存起來。
不過，鋰電池有一個致命問題，它內部使用了容易燃燒的有機電解液，一旦電池受到撞擊、過熱，或者內部短路，將導致電池溫度急速上升，最後甚至起火爆炸。除了安全問題，鋰電池還面對另一項資源挑戰。製造鋰電池需要鋰、鈷、鎳等金屬，其中部分資源價格昂貴，而且並非取之不盡。如果未來全球數十億人都使用電動車與大型儲能系統，人類還能長期依賴這些稀缺資源嗎？因此，科學家一直在尋找一種更安全、更便宜，也更環保的新型電池。而近年備受關注的方向之一，就是「水系電池」。
聽到「水系電池」，很多人可能會感到意外：電池裏居然可以用水。其實，「水系電池」並不是新發明，早在一百多年前，人類已經開始使用水系電池。汽車裏常見的鉛酸電池，就是最經典的例子。直到今天，很多汽車在發動引擎時，仍然需要它幫忙。
不過，傳統鉛酸電池含有重金屬鉛，如果處理不當，容易造成環境污染。因此，科學家開始尋找更新、更環保的方案，而在眾多技術之中，「水系鋅離子電池」近年特別受到重視。
為什麼是鋅？因為鋅其實是一種非常普遍的金屬。它在地球上的儲量比鋰更豐富，價格相對便宜，而且安全性高。更重要的是，水系鋅電池使用的是以水為基礎的電解液，不像傳統鋰電池那樣容易燃燒。換句話說，它本身就具備「不怕火」的特質，這種特性對未來的大型儲能系統尤其重要。想像一下，如果未來城市中的大型儲能電站、住宅備用電源，甚至學校與醫院的能源系統，都能使用更加安全的電池，將大大降低火災風險。
鋅金屬易生成枝晶 影響使用壽命
當然，水系鋅電池並不是「完美電池」。例如，在充放電過程中，鋅金屬表面容易長出像小樹枝一樣的結構。科學家稱它們為枝晶。這些枝晶有可能刺穿電池內部，影響壽命，嚴重時甚至導致短路。
此外，雖然水本身很安全，但它也可能讓部分材料產生副反應，降低電池穩定性。因此，全球不少研究團隊都在努力解決這些問題。有些科學家會替鋅金屬表面加上一層特殊的保護層，避免枝晶生長；有些研究人員則設計新的電解液，來提高水系電解液的穩定性；還有人開發更堅固的新型材料，希望讓電池能夠多次充電。
AI預測推動材料開發
而近年最令人期待的或許是人工智能（AI）開始被引入電池研究。過去，開發一種新電池材料，往往需要經過大量實驗。科學家可能花上幾年時間，才能找到一種合適材料。如今，AI技術正在改變這件事情。研究人員開始利用AI分析大量實驗數據，讓電腦幫助預測哪一種材料最有可能成功，以更好的協助材料篩選，並能夠在無數可能性之中，快速找出最有潛力的答案。有些實驗室甚至開始建立「自動化研究系統」，AI負責設計實驗方案，機械臂負責實際操作，而電腦則即時分析結果。過去可能需要數年的材料開發工作，未來或許能縮短至幾個月。
隨着水系鋅電池技術的突破，並結合 AI 研發，下一代能源科技正不斷發展。也許未來某一天，我們手機裏的電池不再有起火的隱患；電動車的能源系統，也會變得更加安全與環保。
●陳澤 嶺南大學伍絜宜跨學科學院助理教授
