Litij-ionske baterije sadrže zapaljive elektrolite – tekuće otopine litijevih soli u organskim otapalima koje omogućuju protok električnog naboja. U određenim uvjetima baterije mogu postati nestabilne, primjerice uslijed fizičkog oštećenja poput probijanja, prepunjavanja, izloženosti ekstremnim temperaturama ili grešaka nastalih tijekom proizvodnje. Kada dođe do kvara, baterija se može vrlo brzo zagrijati i zapaliti, što izaziva opasnu lančanu reakciju poznatu kao 'termalni bijeg'.

Posebno je izloženo komercijalno zrakoplovstvo, s obzirom na sveprisutnost uređaja na baterije u zrakoplovima i iznimne rizike koje požar u putničkoj kabini ili teretnom prostoru predstavlja. U Sjedinjenim Američkim Državama, Savezna uprava za zrakoplovstvo (FAA) već dugo zabranjuje nošenje rezervnih litij-ionskih baterija u predanoj prtljazi te nalaže da sve baterije unesene u kabinu moraju biti dostupne. FAA je zabilježila 89 incidenata povezanih s baterijama – uključujući dim, požare ili ekstremno zagrijavanje – na putničkim i teretnim zrakoplovima tijekom 2024. godine te 38 incidenata u prvoj polovici 2025. godine, piše CNN.

Takvi incidenti mogu dovesti i do potpunog uništenja zrakoplova, poput Airbusa A321 koji je u siječnju izgorio u Busanu u Južnoj Koreji. Prema nalazima istražitelja, požar je najvjerojatnije izazvao prijenosni punjač (power bank) pohranjen u pretincu iznad sjedala, što je potaknulo pojedine aviokompanije da zabrane te uređaje na letovima.

I domovi su ranjivi

No rizici termalnog bijega ne odnose se samo na zrakoplovstvo. Požari baterija električnih bicikala i romobila sve su veći rizik u domovima, ali ne zaobilaze ni poslovne subjekte. Istraživanje koje je 2024. provela osiguravateljska kuća Aviva, među više od 500 poduzeća u Ujedinjenom Kraljevstvu, pokazalo je da je nešto više od polovice njih doživjelo incident povezan s litij-ionskim baterijama, poput iskrenja, požara ili eksplozija.

Znanstvenici diljem svijeta nastoje riješiti taj problem razvojem sigurnijih baterija, primjerice zamjenom tekućeg elektrolita otpornijim krutim ili gelastim materijalima. No takva rješenja zahtijevaju značajne promjene postojećih proizvodnih linija, što predstavlja veliku prepreku široj primjeni.

Sada je istraživački tim sa The Chinese University of Hong Kong predložio promjenu dizajna litij-ionskih baterija koja bi se mogla brzo integrirati u postojeće proizvodne procese jer se svodi na zamjenu kemijskih sastojaka unutar postojećeg elektrolita.

Metoda je ranije ove godine opisana u studiji koju je vodila Yue Sun, danas postdoktorandica na Virginia Techu. 'Mislim da je najteže kod baterija shvatiti da, kada pokušavate optimizirati performanse, ponekad kompromitirate sigurnost', rekla je Sun. Pojasnila je da poboljšanje performansi zahtijeva fokus na kemijske reakcije pri sobnoj temperaturi, dok se sigurnost temelji na ponašanju baterije pri visokim temperaturama.

'Zato smo došli na ideju da prekinemo taj kompromis dizajnom materijala osjetljivog na temperaturu, koji nudi dobre performanse pri sobnoj temperaturi, ali i visoku stabilnost pri povišenim temperaturama', objasnila je.

Laboratorijski testovi

Požari baterija obično započinju kada se dio elektrolita pod opterećenjem razgradi i počne oslobađati toplinu u lančanoj reakciji. Novi dizajn Sun i njezinih kolega koristi elektrolit s dva otapala kako bi se ta reakcija zaustavila u samom početku.

Pri sobnoj temperaturi prvo otapalo održava kemijsku strukturu baterije stabilnom i optimizira njezine performanse. Ako se baterija počne zagrijavati, drugo otapalo preuzima ulogu, 'olabavljuje' strukturu i usporava reakcije koje bi mogle dovesti do termalnog bijega i požara.

U laboratorijskim testovima baterija s novim elektrolitom, probušena čavlom, zagrijala se za svega 3,5 stupnjeva Celzija, za razliku od skoka od čak 555 stupnjeva Celzija zabilježenog kod klasične baterije. Istraživači navode da nova tehnologija nema negativan učinak na performanse ni trajnost: baterija je zadržala više od 80 posto kapaciteta nakon 1000 ciklusa punjenja.

'Budući da je naša inovacija upravo elektrolit, ona se može vrlo lako primijeniti u komercijalnim sustavima – u suštini samo zamijenite postojeći elektrolit novim', rekao je Yi-Chun Lu, profesor strojarstva i automatike na Kineskom sveučilištu u Hong Kongu i jedan od autora studije.

'U proizvodnji su najzahtjevniji dijelovi elektrode, odnosno čvrsti dijelovi baterije. Elektrolit je tekućina, pa ga možete izravno ubrizgati u ćeliju bez nove opreme ili promjene procesa', dodao je Lu.

Nova kemijska formula blago bi povećala proizvodne troškove, no Lu ističe da bi, u velikim količinama, cijena bila 'na vrlo sličnoj razini' kao kod današnjih baterija. Istraživači su zainteresirani za komercijalizaciju rješenja te su već u razgovorima s proizvođačima baterija. Prema Luovim procjenama, izlazak na tržište mogao bi se dogoditi u razdoblju od tri do pet godina.

Potrebna dodatna validacija

U dosadašnjim testovima izrađena je baterija dovoljno velika za napajanje tableta, no Lu naglašava da je potrebna dodatna validacija kako bi se dizajn skalirao na veličine potrebne, primjerice, za automobile.

Stručnjaci za sigurnost litij-ionskih baterija koji nisu sudjelovali u istraživanju izrazili su pozitivne ocjene. Donal Finegan, viši znanstvenik u američkom Nacionalnom laboratoriju za obnovljive izvore energije (NREL), naveo je da novo rješenje predstavlja uzbudljiv iskorak jer omogućuje bateriji da podnese visoke temperature i kratke spojeve bez zapaljenja. 'Pažljivo odabrani elektrolit je skalabilan i ne narušava značajno vijek trajanja baterije, što uklanja mnoge prepreke za masovnu primjenu', istaknuo je.

Gary Koenig, profesor kemijskog inženjerstva na Sveučilištu u Virginiji, dodao je da je studija ispitala niz sastava elektrolita i pronašla opcije koje nude ravnotežu između dugog vijeka trajanja ćelija i stabilnosti pri višim temperaturama. 'Iz proizvodne perspektive, uvođenje novog elektrolita može se provesti u relativno kratkom roku, pod uvjetom da se ne pojave nepredviđeni problemi s kompatibilnošću procesa', naveo je.

Jorge Seminario, profesor kemijskog inženjerstva na Sveučilištu Texas A&M, istaknuo je da novo rješenje pogađa jedan od ključnih izazova visokoučinkovitih litij-ionskih baterija – istodobno osigurati sigurnost i performanse. 'Studija je iznimno inovativna i značajna te nudi praktično rješenje za jedno od najvećih uskih grla u sigurnosti litij-ionskih baterija', zaključio je.