Πώς μια μικρή αλλαγή στο σχεδιασμό της μπαταρίας θα μπορούσε να μειώσει τις πυρκαγιές

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου βρίσκονται σε όλα τα προϊόντα, από τα smartphone έως τα αυτοκίνητα, και ενώ είναι γενικά πολύ ασφαλείς αν αποθηκεύονται και φορτίζονται σωστά, υπάρχουν χιλιάδες τεκμηριωμένες περιπτώσεις πυρκαγιάς — μερικές φορές με θανατηφόρες συνέπειες.

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 από διάτρηση, υπερφόρτιση, ακραίες θερμοκρασίες ή κατασκευαστικά ελαττώματα. Όταν κάτι πάει στραβά, μια μπαταρία μπορεί να ζεσταθεί και να πάρει φωτιά πολύ γρήγορα, υποβάλλοντας σε μια επικίνδυνη αλυσιδωτή αντίδραση που ονομάζεται «θερμική εκτροπή».

Κίνδυνοι από τα αεροπλάνα μέχρι τα σπίτια

Όπως αναφέρει το αμερικανικό δίκτυο CNN, η εμπορική αεροπορία είναι ιδιαίτερα εκτεθειμένη στο πρόβλημα, λόγω της ευρείας χρήσης συσκευών που λειτουργούν με μπαταρίες στα αεροπλάνα και του κινδύνου που μπορεί να προκαλέσει μια πυρκαγιά στην καμπίνα ή στο χώρο αποσκευών. Στις ΗΠΑ, η Ομοσπονδιακή Υπηρεσία Πολιτικής Αεροπορίας (FAA) έχει απαγορεύσει εδώ και καιρό τη μεταφορά εφεδρικών μπαταριών ιόντων λιθίου στις παραδιδόμενες αποσκευές και απαιτεί όλες οι μπαταρίες που μεταφέρονται στην καμπίνα να παραμένουν προσβάσιμες. Η υπηρεσία κατέγραψε 89 περιστατικά με μπαταρίες που αφορούσαν καπνό, φωτιά ή υπερβολική θερμότητα σε επιβατικά και φορτηγά αεροσκάφη το 2024 και 38 το πρώτο εξάμηνο του 2025.

Αυτά τα περιστατικά μπορούν να οδηγήσουν σε ολική απώλεια ενός αεροσκάφους, όπως το Airbus A321 που καταστράφηκε από τις φλόγες τον Ιανουάριο στο Μπουσάν της Νότιας Κορέας. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η πυρκαγιά πιθανότατα ξεκίνησε από μια φορητή μπαταρία που ήταν αποθηκευμένη σε ένα ντουλαπάκι, γεγονός που οδήγησε ορισμένες αεροπορικές εταιρείες να απαγορεύσουν τη χρήση τέτοιων συσκευών.

Ωστόσο, οι κίνδυνοι θερμικής εκτροπής επεκτείνονται και στα σπίτια, τα οποία είναι ιδιαίτερα ευάλωτα σε πυρκαγιές μπαταριών ηλεκτρικών ποδηλάτων ή ηλεκτρικών σκούτερ, καθώς και σε επιχειρήσεις κάθε είδους: μια έρευνα που διεξήχθη από την ασφαλιστική εταιρεία Aviva το 2024, σε περισσότερες από 500 επιχειρήσεις του Ηνωμένου Βασιλείου, διαπίστωσε ότι λίγο περισσότερο από τις μισές είχαν υποστεί κάποιο περιστατικό που σχετιζόταν με μπαταρίες ιόντων λιθίου, όπως σπινθήρες, πυρκαγιές και εκρήξεις.

Ερευνητές σε όλο τον κόσμο εργάζονται για την επίλυση του προβλήματος αναπτύσσοντας ασφαλέστερες μπαταρίες, για παράδειγμα αντικαθιστώντας τον υγρό ηλεκτρολύτη με ένα πιο ανθεκτικό στη φωτιά στερεό ή τζελ. Ωστόσο, τέτοιες λύσεις απαιτούν σημαντικές αλλαγές στις τρέχουσες γραμμές παραγωγής, γεγονός που αποτελεί εμπόδιο για την ευρεία υιοθέτησή τους.

Τι προτείνουν Κινέζοι ερευνητές

Τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το Κινεζικό Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ πρότεινε μια αλλαγή στο σχεδιασμό των μπαταριών ιόντων λιθίου που θα μπορούσε να ενσωματωθεί γρήγορα στις τρέχουσες μεθόδους κατασκευής, επειδή απλώς περιλαμβάνει την αντικατάσταση χημικών ουσιών στο υπάρχον διάλυμα ηλεκτρολύτη.

Η μέθοδος περιγράφηκε λεπτομερώς φέτος σε μια μελέτη υπό την ηγεσία της Yue Sun, που σήμερα είναι μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Virginia Tech: «Νομίζω ότι το πιο δύσκολο πράγμα που πρέπει να συνειδητοποιήσουν οι άνθρωποι σχετικά με τις μπαταρίες είναι ότι όταν προσπαθείς να βελτιστοποιήσεις την απόδοση, μερικές φορές θέτεις σε κίνδυνο την ασφάλεια», είπε, εξηγώντας ότι η αύξηση της απόδοσης απαιτεί εστίαση στις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ η αύξηση της ασφάλειας εστιάζει στις αντιδράσεις που συμβαίνουν σε υψηλές θερμοκρασίες.

«Έτσι, σκεφτήκαμε μια ιδέα για να ξεπεράσουμε αυτό το δίλημμα, σχεδιάζοντας ένα υλικό ευαίσθητο στη θερμοκρασία, το οποίο μπορεί να προσφέρει καλή απόδοση σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά και καλή σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες».

Η διατήρηση της ψύξης

Οι πυρκαγιές μπαταριών ξεκινούν γενικά όταν μέρος του ηλεκτρολύτη διασπάται υπό πίεση και απελευθερώνει θερμότητα σε μια αλυσιδωτή αντίδραση. Ο σχεδιασμός της 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 σταθερή, βελτιστοποιώντας την απόδοση, αλλά αν η μπαταρία αρχίσει να θερμαίνεται, ο δεύτερος διαλύτης αναλαμβάνει και αποτρέπει την πυρκαγιά χαλαρώνοντας τη δομή και επιβραδύνοντας τις αντιδράσεις που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε θερμική εκτροπή.

Σε εργαστηριακές δοκιμές, μια μπαταρία με αυτό το νέο σχεδιασμό που τρυπήθηκε με ένα καρφί είδε τη θερμοκρασία της να αυξάνεται μόνο κατά 3,5 °C (6,3 °F), αντί για την αύξηση κατά 555 °C (999 °F) που σημειώθηκε με μια παραδοσιακή μπαταρία. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι δεν υπάρχει αρνητική επίδραση στην απόδοση ή την αντοχή της μπαταρίας, η οποία διατήρησε πάνω από το 80% της χωρητικότητάς της μετά από 1.000 κύκλους φόρτισης.

«Δεδομένου ότι η εφεύρεσή μας είναι ο ηλεκτρολύτης, μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα σε εμπορικά διαθέσιμα συστήματα — βασικά απλά αντικαθιστάτε τον νέο ηλεκτρολύτη», δήλωσε ο Yi-Chun Lu, καθηγητής μηχανικής και αυτοματισμού στο Κινεζικό Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.

«Στη διαδικασία κατασκευής, το πιο δύσκολο μέρος είναι τα ηλεκτρόδια, ή το στερεό μέρος. Αλλά ο ηλεκτρολύτης που αντικαθιστούμε είναι υγρός, οπότε μπορείτε να τον εγχύσετε απευθείας στο στοιχείο χωρίς νέο εξοπλισμό ή νέα διαδικασία», πρόσθεσε ο Lu.

Η νέα χημική σύνθεση θα αυξήσει ελαφρώς το κόστος κατασκευής, αλλά ο Lu δήλωσε ότι σε μεγάλη κλίμακα, η τιμή θα είναι «σε πολύ παρόμοιο επίπεδο» με τις τρέχουσες μπαταρίες. Οι ερευνητές ενδιαφέρονται να προωθήσουν την ιδέα σε εμπορικό επίπεδο και βρίσκονται σε συζητήσεις με κατασκευαστές μπαταριών για να φέρουν το σχέδιο στην αγορά, κάτι που θα μπορούσε να διαρκέσει από τρία έως πέντε χρόνια, σύμφωνα με τον Lu.

Στις δοκιμές, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια μπαταρία αρκετά μεγάλη ώστε να τροφοδοτεί ένα tablet, αλλά ο Lu δήλωσε ότι χρειάζεται περισσότερη «επικύρωση» για να κλιμακωθεί ο σχεδιασμός στο μέγεθος που απαιτείται για τα αυτοκίνητα, για παράδειγμα.

Οι πρώτες αντιδράσεις

Ερευνητές στον τομέα της ασφάλειας των μπαταριών λιθίου που δεν συμμετείχαν στη μελέτη εξέφρασαν θετικές απόψεις για το έργο όταν επικοινώνησε μαζί τους το CNN για να ζητήσει το σχόλιό τους. Ο Donal Finegan, ανώτερος επιστήμονας στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας των ΗΠΑ, δήλωσε ότι ο νέος σχεδιασμός είναι μια συναρπαστική εξέλιξη και μεταφράζεται σε μια ασφαλή μπαταρία που μπορεί να αντέξει σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και βραχυκύκλωμα χωρίς να προκαλέσει πυρκαγιά: «Το στρατηγικά επιλεγμένο διάλυμα ηλεκτρολύτη είναι επεκτάσιμο και δεν εμποδίζει σημαντικά τον κύκλο ζωής της μπαταρίας, γεγονός που βοηθά στην εξάλειψη πολλών εμποδίων για τη μαζική υιοθέτηση σε εμπορικά συστήματα μπαταριών», πρόσθεσε.

Η μελέτη διερεύνησε μια σειρά συνθέσεων ηλεκτρολυτών και βρήκε επιλογές όπου υπήρχε ισορροπία μεταξύ των κυψελών μπαταρίας που διαρκούν πολλούς κύκλους, διατηρώντας παράλληλα τη σταθερότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες, σύμφωνα με τον Gary Koenig, καθηγητή χημικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια. «Από κατασκευαστική άποψη, η εφαρμογή ενός νέου ηλεκτρολύτη μπορεί να επιτευχθεί σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, αρκεί να μην υπάρχει κάποιο απρόβλεπτο πρόβλημα συμβατότητας επεξεργασίας» τόνισε.

Ο Jorge Seminario, καθηγητής χημικής μηχανικής στο Texas A&M University, δήλωσε 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 καινοτόμος και έχει μεγάλο αντίκτυπο, προσφέροντας μια πρακτική λύση σε ένα κρίσιμο εμπόδιο στην ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου», πρόσθεσε.

Διαβάστε ακόμη

Κραν Μοντανά: Γιατί οι έρευνες επικεντρώνονται στην ηχομόνωση του μπαρ - Τι ανέφερε ο ιδιοκτήτης στην απολογία του

Ξάνθη: Παίρνει εξιτήριο ο 9χρονος που ακρωτηριάστηκε από κροτίδα - Οι γιατροί έσωσαν το μάτι του

Η Λαγκάρντ βγάζει πάνω από 726.000 ευρώ τον χρόνο - Η αποκάλυψη για τον πραγματικό μισθό της

Πώς μια μικρή αλλαγή στο σχεδιασμό της μπαταρίας θα μπορούσε να μειώσει τις πυρκαγιές