鋰電池只要做個小調整就不起火？美女博士找到了方法，實測靠譜

鋰離子電池從智能手機到汽車的各種設備中都能找到，雖然如果正確儲存和充電通常非常安全，但有成千上萬例發(fā)生過起火的案例——有時甚至致命。

鋰離子電池含有易燃電解質——鋰鹽溶解在有機溶劑中的液態(tài)溶液，使電荷能夠流動。電池在某些條件下可能會變得不穩(wěn)定，比如穿刺、過充電、極端溫度或制造缺陷等物理損傷。當出現(xiàn)故障時，電池會迅速升溫并起火，發(fā)生一種危險的連鎖反應，稱為“熱失控”。

商業(yè)航空尤其容易受到這一問題的影響，因為飛機上無處不在的電池供電設備，以及客艙或貨艙內火災的危險性。在美國，聯(lián)邦航空管理局（FAA）長期禁止托運行李攜帶備用鋰離子電池，并要求所有帶入客艙的電池必須保持可取。該機構在2024年記錄了89起涉及煙霧、火災或極端高溫的客貨飛機電池事件，2025年上半年共發(fā)生38起。

這些事故可能導致飛機全毀，比如今年一月在韓國釜山被火燒毀的空客A321。調查人員稱，火災很可能是由存放在頭頂儲物柜中的移動電源引發(fā)的，這也導致一些航空公司禁止使用這些設備。

但熱失控的風險也波及家庭，尤其容易受到電動自行車或電動滑板車電池火災的影響，以及各種企業(yè)：保險公司Aviva于2024年對500多家英國企業(yè)進行的一項調查發(fā)現(xiàn)，超過一半的企業(yè)經(jīng)歷過與鋰離子電池相關的事故，如火花、火災和爆炸。

全球各地的研究人員正致力于通過開發(fā)更安全的電池來解決這一問題，例如用更耐火的固體或凝膠替代液態(tài)電解質。然而，這類解決方案需要對現(xiàn)有生產(chǎn)線進行重大改造，這成為廣泛采用的障礙。

現(xiàn)在，香港中文大學的一個研究團隊提出了鋰離子電池設計的變革，可以快速整合進現(xiàn)有制造工藝，因為只需更換現(xiàn)有電解質溶液中的化學物質即可。

今年早些時候，由現(xiàn)任弗吉尼亞理工博士后孫岳領導的研究詳細介紹了這一方法：“我認為人們最難意識到的是，當你試圖優(yōu)化性能時，有時會犧牲安全性，”她說，并解釋說提升性能需要關注室溫下發(fā)生的化學反應， 而安全性的提升則關注高溫下發(fā)生的反應。

“因此我們想出了一個想法，通過設計一種溫度敏感材料來打破這種權衡，這種材料不僅能在室溫下表現(xiàn)出色，也能在高溫下保持良好穩(wěn)定性。”

電池火災通常由部分電解質在應力下分解并以鏈式反應釋放熱量為起因。孫博士和她的同事們的設計采用了一種包含兩種溶劑的新型電解質，以阻止鏈式反應的發(fā)生。

在室溫下，第一種溶劑保持電池的化學結構緊密，優(yōu)化性能，但如果電池開始升溫，第二種溶劑會接管，通過松動該結構并減緩可能導致熱失控的反應，從而防止火災發(fā)生。

在實驗室測試中，采用這種新設計并用釘子刺穿的電池溫度僅上升了3.5°C（38.3°F），而傳統(tǒng)電池則達到了555°C（1031°F）的峰值。研究人員表示，電池的性能和耐用性沒有負面影響，且在1000次充電后，電池仍保留了超過80%的容量。

香港中文大學機械與自動化工程教授、該研究作者之一盧義俊表示：“由于我們的發(fā)明是電解質，它可以很容易地應用于商業(yè)化系統(tǒng)——基本上只需更換新的電解質。”

“在制造過程中，最難的部分是電極，也就是固體部分。但我們交換的電解質是液體，所以你可以直接注入細胞，無需新設備或新工藝，“盧義俊說道。

新的化學配方會略微提高制造成本，但陸稱規(guī)模化時價格將“與現(xiàn)有電池非常相似”。研究人員有意將這一想法商業(yè)化，目前正與電池制造商討論將設計推向市場，據(jù)盧說，這可能需要三到五年時間。

在測試中，研究人員制造出足夠大容量供平板電腦供電的電池，但盧義俊表示，要將設計規(guī)模放大到例如汽車所需的尺寸，還需要更多的“驗證”。

未參與研究的鋰電池安全領域的研究人員在接受采訪時對該研究表示積極評價。美國國家可再生能源實驗室高級科學家唐納爾·費尼根在郵件中表示，這一新設計令人振奮，意味著一款能夠耐受高溫和短路而不會引發(fā)火災的安全電池：“戰(zhàn)略性選擇的電解液溶液具有可擴展性，且不會顯著影響電池的循環(huán)壽命， 這有助于消除商業(yè)電池系統(tǒng)大規(guī)模采用的許多障礙。”

弗吉尼亞大學化學工程教授加里·科尼格表示，該研究探討了多種電解質成分，發(fā)現(xiàn)了電池單元在多個周期內能保持穩(wěn)定且在高溫下保持穩(wěn)定的選項。

他在郵件中表示：“從制造角度來看，只要沒有意外的工藝兼容性問題，實施新型電解質可以在相對較短的時間內完成。”

德克薩斯農(nóng)工大學化學工程教授豪爾赫·塞米納里奧在一封電子郵件中表示，新設計解決了高能鋰離子電池面臨的最關鍵挑戰(zhàn)之一，即在安全性和性能上兼顧：“這項研究極具創(chuàng)新性和影響力，為鋰離子電池安全的關鍵瓶頸提供了切實可行的解決方案”。