中大開發「分子外衣」提升鋰金屬電池穩定性 為電動車產業帶來關鍵技術突破

 香港中文大學（中大）研究團隊最近研發了一項全新的界面工程策略，透過在電池正極活性材料表面設計和組裝特殊的分子層，成功調控電極—電解質界面的化學環境。研究結果顯示，這一方法能夠顯著提升高電壓鋰金屬電池的穩定性和循環壽命。這項技術為未來開發更高能量、更穩定的鋰金屬電池提供新思路，有助提升電動車和儲能設備的安全性與續航表現。研究成果已刊登於頂尖期刊《自然─納米技術》(Nature Nanotechnology)。

高電壓電池的隱形殺手：看不見的界面

鋰金屬電池因其超高能量密度，被視為下一代電動車和儲能系統的希望。相比現有的鋰離子電池，鋰金屬電池能提供更長的續航里程及更輕的電池重量。然而，當電池在高電壓下運行時，一個隱藏的問題浮現：電池能否穩定可靠地運行，往往取決於電極和電解液之間那片看不見的薄區域所發生的情況。在這個界面上，電解液分子會被氧化分解，產生的副產品不斷堆積，導致電池性能迅速衰減，甚至失效。這個問題之所以難以解決，是因為單靠改進電極材料或單靠調整電解液，都無法奏效。

智能「分子外衣」改變遊戲規則

中大工程學院機械與自動化工程學系教授盧怡君教授領導的研究團隊，提出了一個嶄新的思路：與其被動地承受界面反應，不如主動改變這個界面的化學環境。他們在電池正極活性材料表面組裝了一層超薄但功能明確的分子膜。這層「分子外衣」能夠改變電解液分子靠近它時的行為方式，透過改變膜上分子的「脾氣」，有些分子「熱情」地吸引電解液靠近，有些分子則「冷淡」地將電解液推開。科學家就像調節温度一樣微調界面的化學環境，在這種吸引與排斥之間找到一個最佳平衡——既能形成保護層、阻擋有害反應，又不會過度阻止電池界面的正常運作。

在實驗中，經過分子膜修飾的正極在高電壓和高溫（60°C）的苛刻條件下，循環200次後仍然保持80%的初始容量，而未經修飾的電極性能衰減明顯更快。更重要的是，這種改進不是透過增加電極或電解液的複雜性實現，而是在界面上做一個精準的、可控的化學修飾，這意味著這種方法有望整合進現有的電池製造工藝中，而不需要對整個系統進行徹底改造。

盧教授表示：「這項研究在分子層面上揭示了電極和電解質界面的作用機制。我們不僅提供了一個新的科學見解，更展示了一條設計界面的新路徑。雖然目前的驗證還在電池實驗室的小尺度階段，但原理上這種方法可應用於更大規模的電池中。我們希望這項工作能為開發下一代高能量密度、高穩定性的鋰金屬電池提供指引，最終讓這類電池早日投入實際應用，推動電動車與儲能產業邁向全新發展階段。」

關於盧怡君教授

盧教授於2012年獲美國麻省理工學院材料科學與工程博士學位，並於2019年獲國家自然科學基金「優秀青年科學基金」首批資助，及「2025青年科學基金(A類)」資助。她的目標是開發穩定、低成本及可擴展的可充電能源儲存系統。

盧教授為英國皇家化學學會院士，並擔任RSC出版的《Journal of Materials Chemistry A》副主編。她亦是香港青年科學院創院成員，並獲多項中大及國際研究與教學獎項，包括美國電化學會M. Stanley Whittingham Mid-Career Award，國際電化學學會Tajima獎、騰訊基金會科學探索獎、 Falling Walls（工程與技術領域）2021年度的十大科學突破、中大研究卓越獎及校長模範教學獎等。

小六資訊日化學實驗室參觀

 

2026 趣味科學比賽 格格可數

 

Nobel Prize in Chemistry 2025

Their molecular architecture contains rooms for chemistry

The Nobel Prize laureates in chemistry 2025 have created molecular constructions with large spaces through which gases and other chemicals can flow. These constructions, metal–organic frameworks, can be used to harvest water from desert air, capture carbon dioxide, store toxic gases or catalyse chemical reactions.

Through the development of metal–organic frameworks, the laureates have provided chemists with new opportunities for solving some of the challenges we face.

2025未來科學大獎系列活動

未來科學大獎載譽歸來，由香港科學院及香港未來科學大獎基金會主辦的2025未來科學大獎系列活動，已於8 月起在香港隆重展開。專為青少年而設的「Hello Scientists

你好科學家」首場講座已於9月27日圓滿舉行，第二場講座將於10月14日舉行，活動獲教育局、香港津貼中學議會、香港直接資助學校議會、政府中學校長協會、香港科學館及香港太空館鼎力支持。第二場講座將由未來科學大獎獲獎者楊學明教授主講，分享他的成長故事、求學歷程及科研經驗，並設有問答環節，讓同學們與科學家深入交流，啟發對科學的熱誠與思考。

此外，2025 未來科學大獎周將於10月22日至26日在香港舉行。特別為青少年而設的「2025 未來科學大獎獲獎者與青少年對話」活動，將於10月26日上午在香港太空館舉行。屆時，本年度未來科學大獎得主將親臨現場，與同學們分享成長、求學及科研故事，並透過互動問答，激發同學們的科學思維與探索精神。

同日（10月26日）下午，「2025未來科學大獎頒獎典禮與音樂會」將於香港文化中心大劇院隆重舉行。國際知名科學家、社會賢達及學生將齊聚一堂，共同見證新一屆未來科學大獎得主榮獲殊榮。頒獎典禮將結合音樂會形式，邀請著名男高音莫華倫及國際知名小提琴家呂思清領銜演出，讓科學與藝術完美融合，為觀眾帶來一難忘的科學盛會。

科技海綿也是塑膠！每月釋放達數兆微塑膠纖維

 

最近研究揭示，廣受歡迎的「科技海綿」清潔髒污時，也釋放數以兆計微塑膠纖維，污染環境。這些海綿使用時會逐漸分解，特別是密度較低海綿，會釋出進入下水道和食物鏈的纖維。南京大學與東南大學聯合團隊研究，魔法海綿每月可能向環境釋放超過兆根微塑膠纖維。論文刊登於《環境科學與技術》期刊。

科技海綿主要材料就是美耐皿泡沫，是三聚氰胺甲醛樹脂（melamine-formaldehyde resin）製成的塑膠製品。塑膠泡沫製成海綿，具輕巧且有高度磨蝕性等個性，很適合清潔用。但使用途中海綿當然會磨損，就釋放微塑膠碎片，經下水道系統進入地球生態，被底層動物攝取後再進入食物鏈。

為了深入了解嚴重性，團隊調查海綿泡沫密度及表面質地，分析如何影響材料劣化速度及釋放微塑膠纖維量。研究員購買三個知名品牌科技海綿，反覆摩擦有紋理的金屬表面使之磨損，而密度較高海綿磨損速度較慢，釋放微塑膠纖維也較少。一個科技海綿每公克磨損約釋放650萬根微塑膠纖維，假設所有海綿平均磨損10%，估算2023年8月亞馬遜月銷售海綿約釋放1.55兆根微塑膠纖維，實際數量應更高。

為了減少微塑膠纖維排放，研究員建議製造商應生產更密實耐磨的海綿。還建議消費者選擇不含塑膠的天然清潔產品，家庭或污水處理廠應安裝過濾系統，以盡可能收集脫落的微塑膠纖維。

（首圖來源：論文）

科學家發現防禦「永久化學物質」PFAS的新方法

劍橋大學MRC毒理學研究所的研究員安娜·林德爾博士（Dr Anna Lindell）表示：「PFAS無處不在，所有人體內都有它們的存在。」

Article Information

• • Author,哈麗特·海伍德
  • Role,BBC記者
• 2025年7月6日

科學家相信，他們已找到一種能保護人體免受一種有毒且持久存在的「永久化學物」（forever chemical）傷害的方法。

全氟和多氟烷基物質（PFAS）是一類人造化學物質，常見於防水衣物、不沾鍋、唇膏或食物包裝中。

這些化學物質具有防油、防水的特性，但在自然環境中極難分解，且已被證實與某些癌症風險增加等健康問題相關。

劍橋大學一項研究發現，一種存在於人體腸道中的特定微生物能夠吸收多種PFAS分子，減弱其對人體的有害影響。

「慢性毒藥」

研究人員發現，某些物種的腸道細菌具有很強的吸收PFAS的能力，並將其儲存在細胞內的團塊中。

外界越來越關注對PFAS對環境與健康造成的影響，因為這些物質在環境中需要數千年來分解。大多數人是透過水

和食物接觸到PFAS。

在某些情況下，PFAS可經由尿液排出體外，但也可能在體內停留數年。

劍橋大學MRC毒理學研究所的研究員、也是該研究第一作者的安娜·林德爾博士（Dr Anna Lindell）表示：「PFAS無處不在，所有人體內都有它們的存在。」

「PFAS曾被認為是安全的，但現在已很清楚它們並非如此。」

「PFAS之所以過了這麼久才引起注意，是因為它們在低劑量下不會引發急性中毒。但它們就像一種慢性毒藥。」

該研究的共同作者英卓·魯（Dr Indra Roux）博士補充說，既然PFAS已經存在於環境與我們體內，我們就必須想辦法減少它的影響。

「我們還沒有找到破壞PFAS的方法，但我們的發現找到可能性，或能將它們從人體中清除。」

帕蒂爾博士說：「考慮到PFAS這種『永久化學物質』問題的嚴重性……令人擔憂的是，我們幾乎沒有採取任何措施將其從體內清除。」

研究人員發現，某些人類腸道細菌具有極高的能力吸附PFAS，並將其儲存在細胞內部的團塊中。

該報告的資深作者基蘭·帕蒂爾博士（Dr Kiran Patil）表示：「由於PFAS在這些團塊中的聚集，細菌本身似乎能免受其毒性影響。」

研究團隊透過將九種細菌引入老鼠腸道中，讓牠們的腸道菌群更接近人類。這些細菌迅速吸收老鼠食用的PFAS，並隨糞便排出體外。

這是首次有證據顯示腸道微生物群可能有助於清除體內有毒的PFAS化學物。

該研究尚未在人體中進行直接測試。

研究人員計劃開發益生菌營養補充品，以提升人體腸道中有益菌的數量，從而對抗PFAS的毒性影響。

林德爾博士與帕蒂爾博士也與企業家彼得·霍爾姆·詹森（Peter Holme Jensen）共同創立了一家初創公司Cambiotics，致力於開發能提升腸道有益菌、保護人體免受PFAS傷害的益生菌營養補充品。