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。
