不要以为只有三星的电池会炸:全行业都在提高电池能量密度

澎湃新闻记者 周玲

2016-09-23 19:23 来源:澎湃新闻

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三星Note 7的电池爆炸。
三星Note 7的电池为何会发生起火爆炸?
9月14日,国家质检总局要求三星召回部分Note7手机时曾提及,这批手机的电池在阳极与阴极隔离膜局部变薄,并且绝缘胶带未完全覆盖极板涂层的情况下,出现短路现象,导致电池异常发热,极端情况下可能发生燃烧,存在安全隐患。
这解释了三星Note 7的电池发生起火爆炸事故的基本原理。这其实也是大部分智能手机采用的锂电池,都需要面对的风险。在手机普及度如此之高的今天,这种风险究竟有多大?为什么锂电池会发生起火爆炸?
就此,澎湃新闻记者采访了多名专家和行业人士。
锂电池的工作原理
先来认识下锂电池。
小型、商用化的锂电池,是日本索尼公司在1991年首先推出的。这种小型锂电池被普遍用于笔记本电脑、数码相机以及智能手机等数码产品。
人们对锂电池的认识,更多是功能手机时代那个可以拿出来充电的小长方形电池。进入智能手机时代,锂电池被镶嵌在手机里面,锂电池开始变得神秘起来。
从构造上看,锂电池由电芯和外面的电池保护系统组成。电芯被称为锂电池“心脏”,含有正负极材料、电解液、隔膜层以及外壳,外面是电池的保护系统。电芯的负极材料是石墨,正极材料为锰酸锂、钴酸锂等锂分子的材料,正极决定电池的能量。
隔膜层把正负极材料完全区隔开来,一旦正负极直接接触,就会发生电池短路,乃至电池起火爆炸。
通俗一点的说,隔膜层像一张纸,不断折叠在小小的电池盒里,隔膜层里充满了正负极材料和电解液。充电时,外来的电场把正极材料里面锂分子激活赶到负极存储在石墨碳结构的空隙里,驱赶的锂分子越多存储的能量就越大;放电时,把负极里面的锂离子赶到正极,锂离子又变成了原有正极材料里的锂分子。如此循环往复,充电放电。
隔膜层出现问题
武汉理工大学教授、新能源汽车检测与控制研究所所长谢长君在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时称,三星电池爆燃主要原因是隔膜层出问题,导致正负极接触面过大,正负极材料产生化学反应,电池温度过高最终爆燃起火。
在密闭的狭小空间内装入了那么多的材料,产生化学反应温度升高,无法及时散热,这就符合爆炸的条件。现在手机外壳都是密闭,三星旗舰手机甚至大都具备防水性能,这对电池的发热、散热的要求很高。
在薄薄一层隔膜上涂上电池材料,工艺难度极高,稍微涂抹不均匀也会导致电池局部过热,但一旦锂金属晶体刺穿隔膜破裂导致正负极大面积接触,电芯过热就会引发热失控,后果就是爆炸或起火。
一位从事电池安全认证的业内人士则认为,三星的电池问题量产前不做不可靠性测试是不可能的,出现问题极有可能是电芯的材料后来出现了批次性问题,而且这种失效模式,充放电保护电路都没抓住,“这次供应商要打板子、设计本身也是有问题,研发也要被打板子。”
锂电池起火爆炸的三种原因
从技术层面看,锂电池起火一般都是电池芯爆炸导致。这种起因可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。
电芯外部发生短路,电子组件又未能切断回路时,电芯内部会产生高热,造成部分电解液汽化,将电池外壳撑大。当电池内部温度高到135摄氏度时,质量好的隔膜纸,会将细孔关闭,电化学反应终止或近乎终止,电流骤降,温度也慢慢下降,进而避免了爆炸发生。但是,细孔关闭率太差,或是细孔根本不会关闭的隔膜纸,会让电池温度继续升高,更多的电解液汽化,最后将电池外壳撑破,甚至将电池温度提高到使材料燃烧并爆炸。
内部短路是指电芯内部发生微短路,铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜,或是锂离子的树枝状结晶穿破膈膜所造成。但内部短路造成爆炸的概率很小,可以观察到的现象是电池漏电很快。
内部短路发生爆炸主要原因是过充造成的,针状锂金属结晶刺穿薄膜,到处发生微短路,最后面积过大导致电芯温度升高,最终导致爆炸。
当然,这些常规的锂电池事故,电池厂商一般都会做足安全预案。外面的保护措施会对电压、电流进行控制,一旦超过,就会启动保护措施,让电芯停止化学反应,温度慢慢降下来。
过度追求能量密度
现在的问题是,消费者既希望智能手机轻薄时尚、屏幕大,又要求手机续航能够够长,起码要支持一天续航。这就促使手机厂商,寻求能量密度更高的电池。
谢长君在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时称,由于手机厂商竞争非常激烈,大家都想在电池续航上有更好的表现,竞相提高电池密度,填充更多的正负极材料,这就把隔膜做得越来越薄。
“手机电池重量密度比一般在150WH/Kg(瓦时/千克),体积密度比在550WH/L(瓦时/升)三星可能为了有更好的表现,能量密度可能更高。那么隔膜层就会非常薄,太薄就会出问题。正负极一接触就会发生短路。”谢长君认为,厂商强行拔高电池能量密度,是导致手机电池出现起火爆炸的主要原因。
鉴于这次发生起火爆炸事故的电池,基本上均由三星子公司SDI生产,而三星的另一供货商ATL生产的电池尚未被列入风险名单,谢长君认为,不排除三星自家的电池公司SDI为了有更好的表现,在能量密度上比ATL的产品更高,“如果三星给ATL只是提出电池的尺寸和能量要求,那么ATL可以用自己的方案;如果ATL和SDI的电池设计参数完全一模一样的,说明SDI的工艺水平有差距。”
谢长君称,锂电池诞生至今,技术上没有非常大的革新,日韩、美国和中国的目标是,2020年把锂电池能量密度提升至300WH/Kg。产业界还是围绕提高电池能量密度做文章。
快速充电风险
除了能量密度越来越高,还有手机厂商开发的快充技术,在很短时间内把电池充满。这种快速充电也被认为会导致电池过热起火的原因。
一位手机厂商相关人士对澎湃新闻记者表示,快充的技术不能把电池能量密度做得过大,否则短时间内快速充电可能导致电池过热短路。“比如两个杯子里分别装满了细沙和粗砂,往里面倒水,细沙肯定是倒不进去的。但快充需要隔膜层开洞多个接口充电,这需要厂商有自己的技术。”
“锂电池没有百分之百安全,出现一定比例的爆炸是可能的。”谢长君称,相信三星能解决电池频频发生事故的问题,推出更安全更前瞻性的产品。
业界对锂电电池故障率的要求是0.1ppm,即千万分之一。也就是说,卖出1000万手机,只能允许一台发生事故的概率。三星Note 7显然是远远超出了这一控制线。
责任编辑:孙扶澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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