鋰電池只要做個小調(diào)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(zhì)——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(nèi)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(gòu)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(diào)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(diào)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(guān)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(zhì)。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(zhì)溶液中的化學物質(zhì)即可。

今年早些時候，由現(xiàn)任弗吉尼亞理工博士后孫岳領(lǐng)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(guān)注室溫下發(fā)生的化學反應， 而安全性的提升則關(guān)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(quán)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(zhì)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(zhì)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)，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(zhì)。”

“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(zhì)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(lǐng)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(zhì)成分，發(fā)現(xiàn)了電池單元在多個周期內(nèi)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(zhì)可以在相對較短的時間內(nèi)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(guān)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(guān)鍵瓶頸提供了切實可行的解決方案”。