電池工作的原理和“熱失控”

要了解電池安全問(wèn)題，我們需要了解電池的工作原理。電池有兩個(gè)電極，其中一個(gè)電極上有正電離子，被稱為陰極。陰極是存儲(chǔ)“燃料”的地方，里面充滿鋰元素。另一個(gè)電極上有負(fù)電離子，稱為陽(yáng)極。

在充電的時(shí)候，鋰離子從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極。而在使用電池的時(shí)候，鋰離子從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極。在陰極和陽(yáng)極之間的化學(xué)物質(zhì)稱為電解質(zhì)，它可以幫助電離子移動(dòng)，傳導(dǎo)電流，目前的電解質(zhì)主要是液態(tài)的（后文會(huì)提到固態(tài)電解質(zhì)）。雖然電離子需要從一個(gè)電極移動(dòng)到另一個(gè)電極，但兩個(gè)電極本身絕對(duì)不能接觸。所以電池制造商在陰極和樣機(jī)之間插入了隔板。

“現(xiàn)在的隔板做得真的很薄，這樣電池也就能更加纖薄。”電池設(shè)備制造商CADEX的創(chuàng)始人和首席執(zhí)行官布赫曼（IsidorBuchmann）說(shuō)。

而GalaxyNote7電池的問(wèn)題就是隔板存在缺陷，沒(méi)能正確隔開(kāi)兩個(gè)電極。“這是最糟糕的情況之一，因?yàn)殡姵睾苡锌赡芷鸹鹕踔帘ā！眮啅卣f(shuō)。

電解質(zhì)本身不太穩(wěn)定，電離子在其中的移動(dòng)也帶來(lái)了不穩(wěn)定性。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)致起火燃燒。

這就是為什么很多手機(jī)在過(guò)熱時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)的原因。不過(guò)電池爆炸也可能是其他原因引起的。電池過(guò)度充電或充電過(guò)快，都有可能導(dǎo)致電池起火或者爆炸。

電池過(guò)充往往是廠商的責(zé)任

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。

普林斯頓大學(xué)的材料科學(xué)家丹斯特恩加特（DanSteingart）表示，電池就像是橡皮筋。當(dāng)你給電池充電時(shí)，就好像是在拉伸橡皮筋；當(dāng)你使用電池的時(shí)候，就好像是放開(kāi)橡皮筋。如果你過(guò)度拉伸橡皮筋，它就會(huì)斷掉，而給電池過(guò)度充電，它也同樣會(huì)壞掉。

但過(guò)度充電并不是用戶的錯(cuò)誤，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電池都有自動(dòng)防過(guò)充的功能。但是如果制造商在生產(chǎn)過(guò)程中把關(guān)不嚴(yán)，電池電路存在故障，無(wú)法自動(dòng)防止過(guò)充，那問(wèn)題就大了。

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)向電池充入太多電能，這就是“快速充電技術(shù)”的危險(xiǎn)所在。如果充電器與電池不兼容，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(shù)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(jiàn)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。

用戶如何防止電池起火爆炸？

以下這5條建議也許可以幫助你：

1、不要把手機(jī)放在枕頭下

不要把手機(jī)放在枕頭下，因?yàn)楫?dāng)你給手機(jī)充電的時(shí)候，它會(huì)變熱。如果這時(shí)候它還被壓在枕頭下面，就會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。而電池需要的是降溫。你可能覺(jué)得把手機(jī)放在枕頭下面很方便，但是最重要的還是安全。

2、使用有授權(quán)的充電器

請(qǐng)使用手機(jī)原廠充電器，它們的質(zhì)量是有保證的。鋰離子電池只能用2.5至3.65伏的電壓充電。使用原廠充電器，可以保證合適的電流。如果丟失了原廠充電器，就要從授權(quán)零售商處那里購(gòu)買充電器。不要舍不得花錢，那樣只會(huì)因小錢失大錢。

3、不要把手機(jī)放在過(guò)熱的環(huán)境中

不要直接在陽(yáng)光下使用手機(jī)。要避開(kāi)高溫環(huán)境，讓手機(jī)遠(yuǎn)離一切產(chǎn)生大量熱量的東西。夏天不要長(zhǎng)時(shí)間把手機(jī)鎖在車?yán)铮菢訒?huì)把手機(jī)烤壞。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)45攝氏度的時(shí)候，盡量不要給手機(jī)充電。在5℃到45℃這個(gè)區(qū)間充電是比較安全的。你應(yīng)該避免在溫度過(guò)低或者過(guò)高的環(huán)境中給手機(jī)充電。

4、不要同時(shí)使用太多APP

同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以一次只使用一個(gè)app比較好。當(dāng)你下載完一部電影之后，再下載另一部，不要兩三部電影同時(shí)下載。少在手機(jī)上玩圖形密集型游戲，這會(huì)給電池帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。關(guān)閉你沒(méi)有使用的所有任務(wù)。那種比較耗資源的應(yīng)用，能不開(kāi)就不開(kāi)。雖然你可能會(huì)覺(jué)得這樣玩手機(jī)不太盡興，但總比電池爆炸了強(qiáng)。

5、不要使用太厚的手機(jī)套

手機(jī)殼可以起到保護(hù)和裝飾手機(jī)的作用。有些手機(jī)殼設(shè)計(jì)得很有趣。但是注意不要選擇太厚的手機(jī)殼，它們不利于手機(jī)散熱。最重要的是，戴著手機(jī)殼的時(shí)候，不要過(guò)度使用手機(jī)，否則手機(jī)會(huì)越來(lái)越熱。皮卡丘手機(jī)外殼看起來(lái)確實(shí)很萌。但是你也要注意它是不是太厚了。

鋰離子電池還能放心用嗎？

有些人認(rèn)為，電池爆炸可能是廠商將技術(shù)推向極限的結(jié)果。手機(jī)屏幕越大、功能越強(qiáng)大，耗電也就越多，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)（CornellUniversity）的材料科學(xué)家林登亞徹（LyndenArcher）表示，目前鋰電池的續(xù)航時(shí)間已經(jīng)差不多可以達(dá)到理論極限值的90%。所以，各大手機(jī)廠商正在向極限推進(jìn)，希望獲得盡可能長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

“智能手機(jī)廠商都希望獲得盡可能最長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間，這有點(diǎn)像是在搞軍備競(jìng)賽。”亞徹說(shuō)。“結(jié)果就越來(lái)越容易發(fā)生電池事故。”

話雖如此，你也不用過(guò)于擔(dān)心。只要查看一下統(tǒng)計(jì)資料，你會(huì)就知道鋰離子電池還是相對(duì)安全的。鋰離子電池的先驅(qū)、美國(guó)東北大學(xué)的教授亞伯拉罕（K.M.Abraham）表示，“每天全球各地有數(shù)十億部手機(jī)和電腦在使用”，相對(duì)來(lái)說(shuō)，事故發(fā)生的比例非常小。

“一般來(lái)說(shuō)，手機(jī)起火的可能性非常非常小，”亞伯拉罕說(shuō)。“鋰離子電池的故障率低于百萬(wàn)分之一。”只需要做個(gè)比較就知道了，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的資料顯示，一個(gè)人一輩子被閃電擊中的可能性是1.3萬(wàn)分之一。

雖然爆炸的可能性很小，但大家是否會(huì)為了安全而棄鋰離子電池不用呢？這不太可能，布赫曼說(shuō)。雖然安全性是一個(gè)問(wèn)題，但它也只是設(shè)計(jì)電池時(shí)要考慮的若干因素之一。其他因素大多都和能量密度、續(xù)航時(shí)間和充電性能有關(guān)。

鋰離子電池vs.競(jìng)爭(zhēng)者

“要開(kāi)發(fā)出比鋰離子電池更好的電池，這非常困難，”布赫曼說(shuō)。不過(guò)鋰離子電池本身也在變得越來(lái)越好。

“有很多公司正在嘗試使用更好的材料來(lái)提高安全性，”亞伯拉罕說(shuō)。下一代鋰離子電池將采用熔點(diǎn)更高的高分子隔板，以防出現(xiàn)熱失控。“還有一些公司在研發(fā)新的電解質(zhì)，它們與空氣接觸時(shí)不會(huì)起火。”他說(shuō)。

雖然鋰離子電池代表著目前的最高設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，但一些公司正在努力研發(fā)新的電池類型，希望在安全和性能上可以超越鋰離子電池。

最有希望的競(jìng)爭(zhēng)者是“固態(tài)電池”。這種電池中的電解質(zhì)是固態(tài)的，而不是液態(tài)的。它燃燒的可能性要小得多，因此有望成為一種超穩(wěn)定的、能量密度更佳、燃燒或爆炸可能性極小的電池。

總部位于密歇根州的公司Sakti3就在致力于研發(fā)固態(tài)電池。2015年，吸塵器巨頭戴森斥資9000萬(wàn)美元收購(gòu)了這家公司。

聯(lián)合能源存儲(chǔ)研究中心的主管喬治克拉布特里（GeorgeCrabtree）認(rèn)為，該公司的固態(tài)電池技術(shù)看上去很有前途，但是，如果它已經(jīng)準(zhǔn)備好了推出一款可以用在智能手機(jī)上面的鋰離子電池替代品，那么蘋果或三星這樣的電子產(chǎn)品巨頭可以開(kāi)出高10倍的價(jià)格。

固態(tài)電池雖然有很多好處，但也存在一個(gè)巨大的缺點(diǎn)：鋰離子在固體電解質(zhì)中移動(dòng)的速度，比在液體電解質(zhì)中慢太多。出于這個(gè)原因，給固態(tài)電池充電的速度只能用龜速來(lái)形容。

鋰硫電池是一種固態(tài)電池，它的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，非常適合高空無(wú)人機(jī)使用。但這種電池也有一個(gè)問(wèn)題：充電次數(shù)很有限，目前是大約20次。這就意味著要用鋰硫電池還需要進(jìn)行大幅改善，才有希望應(yīng)用在移動(dòng)電話、筆記本電腦和其他消費(fèi)電子產(chǎn)品中。

目前還有更多的電池技術(shù)正在開(kāi)發(fā)之中，每一個(gè)都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。盡管在未來(lái)一兩年內(nèi)，手機(jī)鋰離子電池仍然無(wú)可替代，但這個(gè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)者如此繁多，一些專家認(rèn)為用不了多長(zhǎng)的時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)更好更安全的電池。

“我認(rèn)為現(xiàn)在是一個(gè)重要時(shí)刻。在未來(lái)5到10年內(nèi)，我們將看到電池技術(shù)發(fā)生巨大變化，”克拉布特里說(shuō)。