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认清事实,锂电池并不危险

认清事实,锂电池并不危险

来源:
《电脑爱好者》2016年第14期
2019/05/13 10:04
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【摘要】:
手机爆炸、笔记本自燃,一切灾祸的根源似乎都与锂电池有关,加上少数媒体有些夸张的报道更增添了某种恐怖的气息。一时间人们不再信任锂电池了,胆小的家长甚至担心孩子使用手机遇到危险,通电话时常叮嘱快挂断免得被手机炸伤。锂电池真的如此危险吗?当然不是,虽然我们前面提到锂电池并非是绝对安全的 ,但也绝不能算作是一种危险的物品,它必须具备相当高的可靠性与实用性才有可能像今天这样被广泛地使用。锂电池,特别是现在手

手机爆炸、笔记本自燃,一切灾祸的根源似乎都与锂电池有关,加上少数媒体有些夸张的报道更增添了某种恐怖的气息。一时间人们不再信任锂电池了,胆小的家长甚至担心孩子使用手机遇到危险,通电话时常叮嘱快挂断免得被手机炸伤。锂电池真的如此危险吗?当然不是,虽然我们前面提到锂电池并非是绝对安全的 ,但也绝不能算作是一种危险的物品,它必须具备相当高的可靠性与实用性才有可能像今天这样被广泛地使用。锂电池,特别是现在手机中使用的锂离子电池相对镍氢电池具有更高的能量重量比,单节电压达到3.6V,等同于3只镍氢电池的串联电压,它没有记忆效应,具备充电速度快、使用寿命长、自放电小、绿色环保等优点,相对于其他类型电池的优势明显。

● 锂电池原理简介

我们无需杞人忧天,但也不能忽视锂电池存在的安全隐患,你需要明白锂电池为什么会爆炸,这就要从了解锂电池内部结构开始说起了。锂电池内部同样有正极、负极,以及之间的隔膜和电解液,早期锂电池的负极材料是单质锂,但金属锂十分活泼,遇水、氮、酸或氧化剂有起火和爆炸危险,尤其到了可充电的二次锂电池时期,反复的充放电使得粉状锂单质越积越多,充电过程中可能形成的锂晶体结成枝状,引起电池内部短路,最终导致起火或爆炸。

放弃锂元素不可能,因为它有着最小的密度和最大的电负性,具有极高的比能量,是目前制作电池的上佳之选。要解决锂的不稳定性,今天我们使用的锂电池中采用了最有效的解决办法——放弃使用锂单质,核心部分采用更稳定的锂离子以及锂嵌合物。如今的锂电池中,正极可以是不同类型的锂化合物,负极主要是层状结构的石墨类物质,用于嵌入带正电的锂离子。在充电时,正极部分的锂离子离开含锂化合物,最终嵌入负极的层状结构里;在放电时,锂离子离开负极,通并结合在正极的化合物中。正负极间的隔膜即可防止短路,而且在特殊情况下可以关闭离子通道,加上没有锂单质的参与,充放电过程都变得安全多了。在以下的说明中,我们所指的锂电池均为锂离子电池(加粗)。

在智能手机等小型数码产品中,厂家还会使用更先进的锂聚合物电池(图02)。这种锂电池使用高分子材料,目前主要应用在电解质和正极上,由于电解质为固体或胶状,无需使用隔膜,避免了因其失效导致的寿命或安全问题。锂聚合物电池即使出现故障,通常也仅是电池鼓胀、失效,严重时会起火燃烧并放出大量烟雾,但一般不会爆炸。锂聚合物电池还有良好的可塑性,可根据要求制作成各种形状,理论上的最小厚度仅为0.5mm。

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图03,04:锂离子电池(钴酸锂电池)充电(左)和放电(右)结构示意图

● 设计上的安全措施

只在材料上做出改进不能完全避免危险,譬如电池充电电压高于4.2V后仍坚持继续加压,电池就会被过度充电,此时负极的层状结构无法存储更多锂离子,后续锂离子会堆积在负极材料表面,获得电子后,向正极方形成树枝状结晶,它们会刺透隔膜,使正负极短路,同时电解液因高温而被电解,产生气体,电芯内部压力升高,最终导致起火燃烧甚至爆炸。同样如果过度放电,也会对负极造成不可逆的损伤,影响电池充电量与寿命。除了电压之外,充电电流过大也会令锂离子来不及进入负极层状结构,与过度充电类似,锂离子会大量堆积在负极材料表面,有可能导致短路, 电池外壳破裂甚至会爆炸。

总结下来,导致锂电池爆炸的直接原因是短路,短路一般又是由于过度充电或电流过大引起的,而且为了保证电池寿命,设计上也必须严防过度放电。于是电池厂家在设计产品时都加入了一些防护措施,包括防止过充过放的保护线路板(图5),它会检测电池电压,当到达临界值时自动关闭充电或放电过程;电池中还有热敏保险、可恢复保险丝等部件,它们是保护线路板失效后的第二道屏障,会根据温度情况自动断开,阻止化学反应的进行;此外,还有用来阻燃的电芯保护壳,电池内部压力上升到一定数值时自动开启的安全阀(图6);一些公司的电池还会在电解液中加入高分子材料,就算电芯被外力破坏,它也会阻止化学反应的进行,阻隔锂离子流动,避免电池过热爆炸。这些屏障理论上可以保证电池的安全性,就算出现故障也不会伤及使用者。

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图05:电池中的保护线路板上装有类似图中的控制芯片,会监控电池的状态,遇危险时自动断电。笔记本电池组中的控制芯片更为重要,它必须监控电池组中每个电芯的状态,即使只有一个出现问题也会危及整个电池组的安全

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图06:柱形锂电池使用的安全阀

制造锂电池时,合格厂家都有严格的工序控制。以锂离子电池为例,“制浆”是用专门溶剂与粘合剂与粉末状的正负极活性物混合,经高速搅拌均匀后制作成浆状的正负极材料;“涂膜”步骤将浆状材料均匀地涂在金属箔表面,烘干后分别制成正负极极片;“装配”过程中将按“正极片、隔膜、负极片、隔膜”的顺序放好,经过卷绕后制作成电芯,最后经过注入电解液等工序,完成电池的装配。听起来简单,但要保证产品的质量,以上所有过程中有会涉及成百上千个需要注意的细节,厂家必须使用优质的原料,拥有可靠的设备和工作环境,并依靠工人细致的操作,最终才能让电池具有出色的品质。而任何一步出现问题,产出的电池都将成为废品。另外很重要的一点是,厂家必须有严格的产品检测工序,电池必须通过挤压、冲击、震动、电击、跌落、加热等一系列测试,确定不会出现燃烧、爆炸、漏液等情况方允许出厂。

● 哪些原因导致防护措施失效

即使有保护措施的存在,每年依然有一些人被锂电池所伤,移动设备出现电池故障,起火乃至爆炸更是屡见不鲜。对我们普通用户而言,买来一款数码产品,只要老老实实按说明书使用,就不应该出现任何可能伤害性命的问题,到底是什么原因导致保护措施失灵呢?我们再次回忆一下电池起火爆炸的元凶——短路。电池有可能发生短路,更有可能由此引发剧烈的化学反应导致燃烧爆炸,但所有这些问题,不是本该在电池出厂由厂家排除掉了的吗?所以我们正常使用数码产品,出现任何电池引起的故障都应向厂商问责!

深入挖掘那些因电池燃烧、爆炸造成损失的事件,你一定会发现其中大部分都是由于使用了不合格的电池所致。这些电池多由小作坊企业生产,外观假冒品牌电池(图7),经过特殊渠道流入市场。部分人为了追求利益,完全不顾及法律的制裁,明目张胆地在网上销售,导致许多用户遭殃。我们已经知道,制造锂电池并非看起来那么容易,那是一个需要小心谨慎、仔仔细细完成的工作,从选料、装配到质检,任何一步的马虎都有可能酿成灾难。

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图07:假货电池外观仿真度极高(左侧为仿冒品,右侧为真品),虽然在印刷工艺、外壳材质上与真品是区别的,但普通消费者常常难以分辨

假冒电池用料差,但最可怕的并非材料上的差异,而是他们对于产品的态度非常不严谨。由于几乎无需为自己的品牌口碑负责,他们的装配过程马马虎虎,甚至有的偷工减料,省去保护电路。部分下游经销商为了追求利润,会使用假冒电池偷偷更换原装电池,等于给用户埋下了一颗炸弹。当然,还有一种情况是许多微型企业技术不过关,缺少经验丰富的工人,产品质量控制不够严格,产品故障率居高不下。

假如工人装入电解液不够,就会导致电池容量降低,而虚焊、电解液锂盐含量低又会导致内阻升高,其他如电压不足、超厚等问题,也都是由于原料或装配上出了毛病,对于我们最关心的短路与爆炸,也有可能是焊缝漏气、隔膜有漏洞,正负极材料没有处理好等许多原因造成。另外,我们知道高活性锂化合物对水相当敏感,接触即会发生激烈的化学反应。为避免空气中的湿度影响产品质量,正规工厂会采用除湿设备,在非常干燥的条件下真空注入电解液,大大降低了电解液和极板的吸水几率,但不合格锂电池厂家对此类问题不太重视。

总而言之,防护措施就摆在那里,但厂商是否遵循,以及执行力度上的差异就各有不同了,我们应尽量购买正规厂商的产品,不要贪图便宜购买一些打着“水货、尾货”旗号的假冒产品。在购买数码产品时,最好在正规经销商处购买,常常网购的朋友就更要留个心眼,必须要求卖家配备原装电池,而且我们自己也要学会鉴定假冒电池的小技巧。正确使用品质优秀的锂电池,在重重防护措施的保障下,出现燃烧爆炸的可能性微乎其微,概率低于亿分之一,我们被电池炸伤的可能性,其实比彩票中大奖还要低一些。