鋰電池續(xù)航提升像“競(jìng)賽” 事故越來(lái)越容易發(fā)生
手機(jī)爆炸看起來(lái)似乎一件怪事，但手機(jī)電池的化學(xué)性質(zhì)決定它們確實(shí)有可能著火并爆炸。三星最近宣布召回新款智能手機(jī)Galaxy Note 7，因?yàn)樵摍C(jī)電池具有潛在危險(xiǎn)。
如果手機(jī)電池發(fā)生爆炸，責(zé)任往往在廠家，因?yàn)樗鼈冊(cè)谏a(chǎn)過(guò)程中沒能確保電池不會(huì)爆炸。電池爆炸可能是廠家將技術(shù)推向極限的結(jié)果。手機(jī)屏幕越大、功能越強(qiáng)大，就需要越多的能量，而我們大多數(shù)人總是希望電池續(xù)航時(shí)間越長(zhǎng)越好，充電速度越快越好。
美國(guó)康奈爾大學(xué)(Cornell University)的材料科學(xué)家Lynden Archer表示，從理論上講，我們已經(jīng)可以使鋰電池續(xù)航時(shí)間達(dá)到極限值的近90%。所以，各大手機(jī)廠商都在向極限努力，希望獲得盡可能長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。
“智能手機(jī)制造商都希望獲得最長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間，這有點(diǎn)像在進(jìn)行一場(chǎng)軍備競(jìng)賽。”Lynden Archer說(shuō)。“這種趨勢(shì)正在產(chǎn)生另一種趨勢(shì)：電池事故越來(lái)越容易發(fā)生。”
三星將Galaxy Note 7的召回歸咎于如下事實(shí)：在部分手機(jī)上，原本不能互相接觸的電池陰陽(yáng)兩極觸碰到一起。但是，可充電鋰離子電池爆炸也有其他常見的原因，這通常是因?yàn)槲覀儗?duì)手機(jī)性能要求越來(lái)越高。
要了解電池的安全問(wèn)題，我們需要了解電池的工作原理。電池相對(duì)的兩側(cè)有兩個(gè)電極（或叫電導(dǎo)體）。其中一個(gè)電極含正電離子，被稱為陰極。陰極里充滿鋰元素，它是“燃料”存儲(chǔ)的地方。另一個(gè)相對(duì)的電極含負(fù)電離子，被稱為陽(yáng)極。
在充電期間，鋰離子從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極。當(dāng)電池使用時(shí)，鋰離子向相反的方向移動(dòng)。在陰極和陽(yáng)極之間的是被稱為電解質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)，它們能夠幫助電離子移動(dòng)，傳導(dǎo)電流。雖然電離子需要從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，但陽(yáng)陰兩極本身絕對(duì)不能接觸。為了防止這種情況發(fā)生，電池制造商在陰陽(yáng)兩極之間插入了隔板。
充電過(guò)滿或充電過(guò)快 電池可能爆炸
Galaxy Note 7的電池問(wèn)題是：隔板有缺陷，陰陽(yáng)兩極觸碰到一起。“這被認(rèn)為是最糟糕的失敗，因?yàn)樗鼧O有可能會(huì)引起火花，甚至可能發(fā)生爆炸。”Lynden Archer說(shuō)。當(dāng)兩個(gè)電極接觸時(shí)，電能直接流向中間的電解質(zhì)而非兩側(cè)的電極。
電解質(zhì)本身是不太穩(wěn)定的，電離子在其中的移動(dòng)也會(huì)不穩(wěn)定。當(dāng)有大量的熱量產(chǎn)生時(shí)——無(wú)論是通過(guò)兩個(gè)電極互相接觸還是僅僅因?yàn)橥獠窟^(guò)熱——電解質(zhì)可能會(huì)與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，釋放更多的熱量。隨著化學(xué)反應(yīng)的反復(fù)發(fā)生，氣體以越來(lái)越快的速度釋放越來(lái)越多的熱量。這個(gè)過(guò)程將產(chǎn)生“熱失控”，并可能導(dǎo)致起火。
這就是為什么許多手機(jī)在過(guò)熱時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。但電池爆炸也可能是因?yàn)槠渌脑颉ｋ姵剡^(guò)度充電或充電過(guò)快都可能導(dǎo)致電池起火或者爆炸。
過(guò)度充電就像在水桶里裝入太多的水。水桶里裝入太多水不要緊，因?yàn)樗畷?huì)溢出。但對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，過(guò)度充電時(shí)，會(huì)有過(guò)多的鋰元素進(jìn)入陽(yáng)極。過(guò)度充電并非是因?yàn)槟銓⑹謾C(jī)充了一整夜的電——大多數(shù)電池被設(shè)計(jì)成自動(dòng)防止過(guò)度充電，而是因?yàn)橹圃焐淘谏a(chǎn)過(guò)程中的差錯(cuò)導(dǎo)致電池電路出現(xiàn)故障，以至于不能阻止過(guò)度充電。
普林斯頓大學(xué)的材料科學(xué)家Dan Steingart表示，電池就像一個(gè)橡皮筋。當(dāng)你對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，就好像你在拉伸橡皮筋；當(dāng)你使用電池時(shí)，就好像你在釋放它。如果你將橡皮筋拉得太緊，它就會(huì)斷裂。
科學(xué)家正在研究新型電解質(zhì)
此外，充電太快也是一個(gè)問(wèn)題。快速充電意味著在短時(shí)間內(nèi)向電池充入太多的電能，這就是所謂“快速充電技術(shù)”的危險(xiǎn)所在。如果充電器與電池不兼容（不管是什么原因），電池也可能短路。
我們可以將電池想象成兩個(gè)雞蛋板條箱。鋰離子需要在這兩個(gè)雞蛋板條箱之間穿梭，以便穩(wěn)妥地堆積在里面。如果你緩慢充電，鋰離子有足夠的時(shí)間在板條箱里找到自己的位置。但是，如果充電過(guò)快，或者充電過(guò)度，鋰離子就會(huì)在板條箱外面堆積起來(lái)。然后，每次充電時(shí)鋰離子都會(huì)自我堆積，形成被稱為“樹突”的針狀結(jié)構(gòu)，它們可以導(dǎo)致短路電池。
電池事故的另一個(gè)常見原因是制造商試圖通過(guò)提高電壓使電池儲(chǔ)存更多電能。電壓就像瀑布的高度，而電流就像流水的水量，瀑布越高，下面的流水就越多。同理，電壓越高，電池里存儲(chǔ)的電能就越多。所以，制造商試圖通過(guò)在電池中加入像鎳元素（或其他元素）使電壓升高。但是，電壓越高，電解質(zhì)越容易產(chǎn)生化合作用，從而導(dǎo)致起火或爆炸。
一些科學(xué)家正在試圖開發(fā)一種不容易起火的電解質(zhì)。這些電解質(zhì)被稱為“離子液體”。Nohms Technology公司的首席技術(shù)官Surya Moganty表示，與一般電解質(zhì)相比，“離子液體”需要更多的熱量才會(huì)形成可燃?xì)怏w。這種新型電解質(zhì)要安全得多，但也有可能縮短電池續(xù)航時(shí)間。
電池技術(shù)在不斷進(jìn)步，但它的發(fā)展速度還趕不上我們對(duì)電池充電速度和續(xù)航時(shí)間的要求。手機(jī)制造商應(yīng)該記住這一點(diǎn)，不要以安全為代價(jià)來(lái)滿足我們的要求。
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