Ερευνητές από το Κινεζικό Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ ανέπτυξαν έναν νέο σχεδιασμό για μπαταρίες ιόντων λιθίου που θα μπορούσε να αποτρέψει τις πυρκαγιές, αντιμετωπίζοντας ένα από τα πιο κρίσιμα προβλήματα ασφαλείας της σύγχρονης τεχνολογίας. Η καινοτομία περιλαμβάνει απλώς την αντικατάσταση χημικών ουσιών στον υπάρχοντα ηλεκτρολύτη, επιτρέποντας την ταχεία ενσωμάτωση στις τρέχουσες μεθόδους παραγωγής, όπως επισημάνθηκε τη Δευτέρα (22/12).
Γιατί οι μπαταρίες λιθίου είναι επικίνδυνες
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου βρίσκονται παντού, από smartphones μέχρι αυτοκίνητα, και ενώ είναι γενικά πολύ ασφαλείς αν αποθηκεύονται και φορτίζονται σωστά, υπάρχουν χιλιάδες τεκμηριωμένες περιπτώσεις που πήραν φωτιά — μερικές φορές με θανατηφόρες συνέπειες.
Συγκεκριμένα, σύμφωνα με το CNN, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου περιέχουν εύφλεκτους ηλεκτρολύτες — υγρά διαλύματα αλάτων λιθίου διαλυμένα σε οργανικούς διαλύτες που επιτρέπουν τη ροή του ηλεκτρικού φορτίου. Οι μπαταρίες μπορούν να γίνουν ασταθείς υπό ορισμένες συνθήκες, όπως φυσική ζημιά (π.χ. τρύπημα), υπερφόρτιση, ακραίες θερμοκρασίες ή κατασκευαστικά ελαττώματα. Όταν κάτι πάει στραβά, μια μπαταρία μπορεί να θερμανθεί και να πάρει φωτιά πολύ γρήγορα, υφιστάμενη μια επικίνδυνη αλυσιδωτή αντίδραση που ονομάζεται «θερμική διαφυγή».
Κίνδυνοι στην εμπορική αεροπορία
Η εμπορική αεροπορία είναι ιδιαίτερα εκτεθειμένη στο πρόβλημα, λόγω του πόσο διαδεδομένες είναι οι συσκευές με μπαταρίες στα αεροπλάνα και του πόσο επικίνδυνη μπορεί να είναι μια φωτιά στην καμπίνα ή στον χώρο αποσκευών.
Μάλιστα, στις ΗΠΑ, η Ομοσπονδιακή Υπηρεσία Αεροπορίας (FAA) έχει από καιρό απαγορεύσει τη μεταφορά εφεδρικών μπαταριών ιόντων λιθίου στις παραδιδόμενες αποσκευές και επιβάλλει όλες οι μπαταρίες που μπαίνουν στην καμπίνα, να παραμένουν προσβάσιμες. Η υπηρεσία κατέγραψε 89 περιστατικά με μπαταρίες που αφορούσαν σε καπνό, φωτιά ή ακραία θερμότητα σε επιβατικά και cargo αεροσκάφη το 2024, και 38 στο πρώτο εξάμηνο του 2025.
Αυτά τα περιστατικά μπορούν να οδηγήσουν σε ολική απώλεια αεροσκάφους, όπως το Airbus A321 που καταστράφηκε από τις φλόγες, τον Ιανουάριο, στο Μπουσάν της Νότιας Κορέας. Η φωτιά πιθανότατα προκλήθηκε από ένα power bank αποθηκευμένο σε ντουλάπι χειραποσκευών, σύμφωνα με τους ερευνητές, γεγονός που οδήγησε ορισμένες αεροπορικές εταιρείες να απαγορεύσουν τις συσκευές αυτές.
Κίνδυνοι σε σπίτια και επιχειρήσεις
Οι κίνδυνοι της θερμικής διαφυγής εκτείνονται και στα σπίτια, ιδιαίτερα ευάλωτα σε πυρκαγιές από μπαταρίες ηλεκτρικών ποδηλάτων ή ηλεκτρικών πατινιών, καθώς και σε επιχειρήσεις κάθε είδους.
Μια έρευνα που διεξήχθη από τον ασφαλιστικό πάροχο Aviva το 2024, μεταξύ περισσότερων από 500 βρετανικών επιχειρήσεων, διαπίστωσε ότι λίγο περισσότερες από τις μισές είχαν βιώσει ένα περιστατικό που συνδέεται με μπαταρίες ιόντων λιθίου, όπως σπινθήρες, πυρκαγιές και εκρήξεις.
Η αναζήτηση για ασφαλέστερες μπαταρίες
Ερευνητές σε όλο τον κόσμο εργάζονται για να λύσουν το πρόβλημα αναπτύσσοντας ασφαλέστερες μπαταρίες, για παράδειγμα αντικαθιστώντας τον υγρό ηλεκτρολύτη με ένα πιο πυρίμαχο στερεό ή τζελ. Ωστόσο, τέτοιες λύσεις απαιτούν σημαντικές αλλαγές στις τρέχουσες γραμμές παραγωγής, ένα εμπόδιο για την ευρεία υιοθέτηση.
Τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το Κινεζικό Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ πρότεινε μια αλλαγή στον σχεδιασμό των μπαταριών ιόντων λιθίου που θα μπορούσε να ενσωματωθεί γρήγορα στις τρέχουσες μεθόδους παραγωγής, επειδή απλώς περιλαμβάνει την αντικατάσταση χημικών ουσιών στο υπάρχον διάλυμα ηλεκτρολύτη.
Η μέθοδος παρουσιάστηκε λεπτομερώς, νωρίτερα φέτος, σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature Energy με επικεφαλής την Yue Sun, τώρα μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Virginia Tech. «Νομίζω ότι το πιο δύσκολο πράγμα για τους ανθρώπους να συνειδητοποιήσουν σχετικά με τις μπαταρίες είναι ότι όταν προσπαθείς να βελτιστοποιήσεις την απόδοση, μερικές φορές θυσιάζεις την ασφάλεια», είπε η ίδια, εξηγώντας ότι η αύξηση της απόδοσης απαιτεί εστίαση σε χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ η αύξηση της ασφάλειας εστιάζει σε αντιδράσεις που συμβαίνουν σε υψηλές θερμοκρασίες.
Ακόμα, η ίδια πρόσθεσε: «Έτσι καταλήξαμε σε μια ιδέα να σπάσουμε αυτή την αντιστάθμιση σχεδιάζοντας ένα υλικό ευαίσθητο στη θερμοκρασία, το οποίο μπορεί να παρέχει καλή απόδοση σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά μπορεί επίσης να προσφέρει καλή σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες».
Πώς λειτουργεί ο νέος σχεδιασμός
Οι φωτιές από μπαταρίες γενικά προκαλούνται όταν μέρος του ηλεκτρολύτη διασπάται υπό πίεση και απελευθερώνει θερμότητα σε μια αλυσιδωτή αντίδραση. Ο σχεδιασμός της Yue Sun και των συναδέλφων της χρησιμοποιεί έναν νέο ηλεκτρολύτη που περιλαμβάνει δύο διαλύτες για να σταματήσει αυτή την αλυσιδωτή αντίδραση.
Σε θερμοκρασία δωματίου, ο πρώτος διαλύτης διατηρεί τη χημική δομή της μπαταρίας σφιχτή, βελτιστοποιώντας την απόδοση, αλλά αν η μπαταρία αρχίσει να θερμαίνεται, ο δεύτερος διαλύτης αναλαμβάνει και αποτρέπει τη φωτιά, χαλαρώνοντας αυτή τη δομή και επιβραδύνοντας τις αντιδράσεις που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε θερμική διαφυγή.
Πάντως, επισημαίνεται ότι σε εργαστηριακές δοκιμές, σε μια μπαταρία με αυτόν τον νέο σχεδιασμό που τρυπήθηκε με καρφί, η θερμοκρασία της ανέβηκε μόνο κατά 3,5 βαθμούς Κελσίου αντί για την αύξηση 555 βαθμών Κελσίων που συνέβη με μια παραδοσιακή μπαταρία. Οι ερευνητές λένε ότι δεν υπάρχει αρνητική επίπτωση στην απόδοση ή στην αντοχή της μπαταρίας, και διατήρησε πάνω από 80% της χωρητικότητάς της ύστερα από 1.000 κύκλους φόρτισης.
Εύκολη ενσωμάτωση στην παραγωγή
Η Yi-Chun Lu, καθηγητής Μηχανολογίας και Αυτοματισμού στο Κινεζικό Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης ανέφερε: «Επειδή η εφεύρεσή μας είναι ο ηλεκτρολύτης, μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα σε εμπορικά διαθέσιμα συστήματα — ουσιαστικά απλώς αντικαθιστάς τον νέο ηλεκτρολύτη. Στη διαδικασία παραγωγής, η πιο δύσκολη πτυχή είναι τα ηλεκτρόδια ή το στερεό μέρος, αλλά ο ηλεκτρολύτης που αντικαθιστούμε είναι υγρό, οπότε μπορείς να τον εγχύσεις απευθείας στο κελί χωρίς κανένα νέο εξοπλισμό ή νέα διαδικασία», πρόσθεσε ο Lu.
Μάλιστα, αν και η νέα χημική συνταγή θα αύξανε ελαφρώς το κόστος παραγωγής, αλλά η Yi-Chun Lu υποστήριξε ότι σε κλίμακα, η τιμή θα ήταν «σε πολύ παρόμοιο επίπεδο» με τις τρέχουσες μπαταρίες. Οι ερευνητές ενδιαφέρονται να προωθήσουν την ιδέα εμπορικά και βρίσκονται επί του παρόντος σε συζητήσεις με κατασκευαστές μπαταριών για να φέρουν τον σχεδιασμό στην αγορά, κάτι που θα μπορούσε να πάρει μεταξύ τριών και πέντε ετών, σύμφωνα με τον ίδιο.
Στις δοκιμές, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια μπαταρία αρκετά μεγάλη για να τροφοδοτήσει ένα tablet, αλλά η Yi-Chun Lu είπε ότι χρειάζεται περισσότερη «επικύρωση» για να κλιμακωθεί ο σχεδιασμός στο μέγεθος που απαιτείται για αυτοκίνητα, για παράδειγμα.
Θετικές αντιδράσεις από την επιστημονική κοινότητα
Ερευνητές στον τομέα της ασφάλειας μπαταριών λιθίου που δεν συμμετείχαν στη μελέτη, εξέφρασαν θετικές απόψεις για το έργο όταν επικοινώνησε μαζί τους το CNN για σχόλιο.
Συγκεκριμένα, ο Donal Finegan, ανώτερος επιστήμονας στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας των ΗΠΑ, απάντησε σε e-mail ότι ο νέος σχεδιασμός είναι μια συναρπαστική εξέλιξη, και μεταφράζεται σε μια ασφαλή μπαταρία, που μπορεί να αντέξει ζεστές συνθήκες και βραχυκύκλωμα χωρίς να προκαλέσει φωτιά.
«Το στρατηγικά επιλεγμένο διάλυμα ηλεκτρολύτη είναι κλιμακώσιμο και δεν εμποδίζει σημαντικά τη διάρκεια ζωής κύκλων της μπαταρίας, κάτι που βοηθά στην εξάλειψη πολλών εμποδίων προς τη μαζική υιοθέτηση σε εμπορικά συστήματα μπαταριών», πρόσθεσε ο ίδιος.
Η μελέτη διερεύνησε μια σειρά συνθέσεων ηλεκτρολύτη και βρήκε επιλογές στις οποίες υπήρχε ισορροπία μεταξύ των κελιών της μπαταρίας που διαρκούν πολλούς κύκλους ενώ διατηρούν, επίσης, σταθερότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες, σύμφωνα με τον Gary Koenig, καθηγητή Χημικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια.
«Από την οπτική γωνία της παραγωγής, η εφαρμογή ενός νέου ηλεκτρολύτη μπορεί να επιτευχθεί σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα εφόσον δεν υπάρχει κάποιο απρόβλεπτο ζήτημα συμβατότητας επεξεργασίας», ανέφερε ο ίδιος σε e-mail.
Τέλος, ο Jorge Seminario, καθηγητής Χημικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Texas A&M, έγραψε σε e-mail ότι ο νέος σχεδιασμός αντιμετωπίζει μία από τις πιο κρίσιμες προκλήσεις στις μπαταρίες ιόντων λιθίου υψηλής ενέργειας, που είναι η επίτευξη τόσο ασφάλειας όσο και απόδοσης. «Η μελέτη είναι εξαιρετικά καινοτόμα και με αντίκτυπο, προσφέροντας μια πρακτική λύση σε ένα κρίσιμο σημείο συμφόρησης στην ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου», τόνισε χαρακτηριστικά.
