鋰電池續(xù)航提升像“競賽” 事故越來越容易發(fā)生
手機爆炸看起來似乎一件怪事，但手機電池的化學(xué)性質(zhì)決定它們確實有可能著火并爆炸。三星最近宣布召回新款智能手機Galaxy Note 7，因為該機電池具有潛在危險。
如果手機電池發(fā)生爆炸，責(zé)任往往在廠家，因為它們在生產(chǎn)過程中沒能確保電池不會爆炸。電池爆炸可能是廠家將技術(shù)推向極限的結(jié)果。手機屏幕越大、功能越強大，就需要越多的能量，而我們大多數(shù)人總是希望電池續(xù)航時間越長越好，充電速度越快越好。
美國康奈爾大學(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)航時間達(dá)到極限值的近90%。所以，各大手機廠商都在向極限努力，希望獲得盡可能長的續(xù)航時間。
“智能手機制造商都希望獲得最長的電池續(xù)航時間，這有點像在進(jìn)行一場軍備競賽。”Lynden Archer說。“這種趨勢正在產(chǎn)生另一種趨勢：電池事故越來越容易發(fā)生。”
三星將Galaxy Note 7的召回歸咎于如下事實：在部分手機上，原本不能互相接觸的電池陰陽兩極觸碰到一起。但是，可充電鋰離子電池爆炸也有其他常見的原因，這通常是因為我們對手機性能要求越來越高。
要了解電池的安全問題，我們需要了解電池的工作原理。電池相對的兩側(cè)有兩個電極（或叫電導(dǎo)體）。其中一個電極含正電離子，被稱為陰極。陰極里充滿鋰元素，它是“燃料”存儲的地方。另一個相對的電極含負(fù)電離子，被稱為陽極。
在充電期間，鋰離子從陰極移動到陽極。當(dāng)電池使用時，鋰離子向相反的方向移動。在陰極和陽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，傳導(dǎo)電流。雖然電離子需要從一側(cè)移動到另一側(cè)，但陽陰兩極本身絕對不能接觸。為了防止這種情況發(fā)生，電池制造商在陰陽兩極之間插入了隔板。
充電過滿或充電過快 電池可能爆炸
Galaxy Note 7的電池問題是：隔板有缺陷，陰陽兩極觸碰到一起。“這被認(rèn)為是最糟糕的失敗，因為它極有可能會引起火花，甚至可能發(fā)生爆炸。”Lynden Archer說。當(dāng)兩個電極接觸時，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也會不穩(wěn)定。當(dāng)有大量的熱量產(chǎn)生時——無論是通過兩個電極互相接觸還是僅僅因為外部過熱——電解質(zhì)可能會與其他化學(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，氣體以越來越快的速度釋放越來越多的熱量。這個過程將產(chǎn)生“熱失控”，并可能導(dǎo)致起火。
這就是為什么許多手機在過熱時會自動關(guān)機。但電池爆炸也可能是因為其他的原因。電池過度充電或充電過快都可能導(dǎo)致電池起火或者爆炸。
過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，因為水會溢出。但對于電池來說，過度充電時，會有過多的鋰元素進(jìn)入陽極。過度充電并非是因為你將手機充了一整夜的電——大多數(shù)電池被設(shè)計成自動防止過度充電，而是因為制造商在生產(chǎn)過程中的差錯導(dǎo)致電池電路出現(xiàn)故障，以至于不能阻止過度充電。
普林斯頓大學(xué)的材料科學(xué)家Dan Steingart表示，電池就像一個橡皮筋。當(dāng)你對電池進(jìn)行充電時，就好像你在拉伸橡皮筋；當(dāng)你使用電池時，就好像你在釋放它。如果你將橡皮筋拉得太緊，它就會斷裂。
科學(xué)家正在研究新型電解質(zhì)
此外，充電太快也是一個問題。快速充電意味著在短時間內(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雞蛋板條箱。鋰離子需要在這兩個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，鋰離子有足夠的時間在板條箱里找到自己的位置。但是，如果充電過快，或者充電過度，鋰離子就會在板條箱外面堆積起來。然后，每次充電時鋰離子都會自我堆積，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。
電池事故的另一個常見原因是制造商試圖通過提高電壓使電池儲存更多電能。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，電池里存儲的電能就越多。所以，制造商試圖通過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電池充電速度和續(xù)航時間的要求。手機制造商應(yīng)該記住這一點，不要以安全為代價來滿足我們的要求。
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