鋰離子電池從智能手機(jī)到汽車的各種設(shè)備中都能找到，雖然如果正確儲(chǔ)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(shí)甚至致命。

鋰離子電池含有易燃電解質(zhì)——鋰鹽溶解在有機(jī)溶劑中的液態(tài)溶液，使電荷能夠流動(dòng)。電池在某些條件下可能會(huì)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(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，電池會(huì)迅速升溫并起火，發(fā)生一種危險(xiǎn)的連鎖反應(yīng)，稱為“熱失控”。

商業(yè)航空尤其容易受到這一問題的影響，因?yàn)轱w機(jī)上無處不在的電池供電設(shè)備，以及客艙或貨艙內(nèi)火災(zāi)的危險(xiǎn)性。在美國，聯(lián)邦航空管理局（FAA）長期禁止托運(yùn)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(jī)構(gòu)在2024年記錄了89起涉及煙霧、火災(zāi)或極端高溫的客貨飛機(jī)電池事件，2025年上半年共發(fā)生38起。

這些事故可能導(dǎo)致飛機(jī)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(zāi)很可能是由存放在頭頂儲(chǔ)物柜中的移動(dòng)電源引發(fā)的，這也導(dǎo)致一些航空公司禁止使用這些設(shè)備。

但熱失控的風(fēng)險(xiǎn)也波及家庭，尤其容易受到電動(dòng)自行車或電動(dòng)滑板車電池火災(zāi)的影響，以及各種企業(yè)：保險(xiǎn)公司Aviva于2024年對(duì)500多家英國企業(yè)進(jìn)行的一項(xiàng)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(zāi)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(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行重大改造，這成為廣泛采用的障礙。

現(xiàn)在，香港中文大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了鋰離子電池設(shè)計(jì)的變革，可以快速整合進(jìn)現(xiàn)有制造工藝，因?yàn)橹恍韪鼡Q現(xiàn)有電解質(zhì)溶液中的化學(xué)物質(zhì)即可。

今年早些時(shí)候，由現(xiàn)任弗吉尼亞理工博士后孫岳領(lǐng)導(dǎo)的研究詳細(xì)介紹了這一方法：“我認(rèn)為人們最難意識(shí)到的是，當(dāng)你試圖優(yōu)化性能時(shí)，有時(shí)會(huì)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(xué)反應(yīng)， 而安全性的提升則關(guān)注高溫下發(fā)生的反應(yīng)。

“因此我們想出了一個(gè)想法，通過設(shè)計(jì)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?！?/p>

電池火災(zāi)通常由部分電解質(zhì)在應(yīng)力下分解并以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放熱量為起因。孫博士和她的同事們的設(shè)計(jì)采用了一種包含兩種溶劑的新型電解質(zhì)，以阻止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生。

在室溫下，第一種溶劑保持電池的化學(xué)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(huì)接管，通過松動(dòng)該結(jié)構(gòu)并減緩可能導(dǎo)致熱失控的反應(yīng)，從而防止火災(zāi)發(fā)生。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，采用這種新設(shè)計(jì)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(dá)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(fù)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(xué)機(jī)械與自動(dòng)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(yīng)用于商業(yè)化系統(tǒng)——基本上只需更換新的電解質(zhì)?！?/p>

“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(xì)胞，無需新設(shè)備或新工藝，“盧義俊說道。

新的化學(xué)配方會(huì)略微提高制造成本，但陸稱規(guī)?；瘯r(shí)價(jià)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(shè)計(jì)推向市場(chǎng)，據(jù)盧說，這可能需要三到五年時(shí)間。

在測(cè)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(shè)計(jì)規(guī)模放大到例如汽車所需的尺寸，還需要更多的“驗(yàn)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(shí)對(duì)該研究表示積極評(píng)價(jià)。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家唐納爾·費(fèi)尼根在郵件中表示，這一新設(shè)計(jì)令人振奮，意味著一款能夠耐受高溫和短路而不會(huì)引發(fā)火災(zāi)的安全電池：“戰(zhàn)略性選擇的電解液溶液具有可擴(kuò)展性，且不會(huì)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?！?/p>

弗吉尼亞大學(xué)化學(xué)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(gè)周期內(nèi)能保持穩(wěn)定且在高溫下保持穩(wěn)定的選項(xiàng)。

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(shí)施新型電解質(zhì)可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成。”

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)化學(xué)工程教授豪爾赫·塞米納里奧在一封電子郵件中表示，新設(shè)計(jì)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(xiàng)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(shí)可行的解決方案”。