【乾貨】三星Note7頻繁爆炸 深入探討鋰電池安全問題

2020-12-05 OFweek維科網

  自從8月19日起在國外公開發售,9月1日起在中國公開發售以來,國內外都陸續發生了一系列關於三星 Note 7 的電池事故。

  對於第一批出問題的Note 7,三星表示是由於電池的質量瑕疵導致,因此實施了大範圍的召回和換機。但是近日,國內發生的幾起本不在召回範圍內的,三星認為沒有質量問題的國行版Note 7電池事故,又為這一事件蒙上了一層陰影。

  雖然三星和國行版電池供應商ATL在9月19日曾先後發表聲明稱,國內的Note 7電池事故並非由電池質量瑕疵引起,而是外部加熱所致。但這一結論並沒有受到購機用戶的認可,他們紛紛表示自己並沒有對Note 7進行外部加熱,並且使用的是官方標配的充電器。

  隨著發售的持續,我們不禁要問:國行版Note 7究竟是不是電池出了問題,鋰電池的工作原理是怎樣的,這次的電池事故將會對整個電池、手機行業造成怎樣的影響?

  圍繞相關問題,我們進行了一次徹底的解答和科普。

  鋰電池的運行原理介紹

  鋰離子電池於上個世紀90年代末期引入中國,經過20多年的發展,在二次電池 (非一次性使用電池) 市場,相比於鉛酸蓄電池和鎳鉻鎳氫電池,鋰電池依然是小眾群體。根據調查,目前的市場佔有率大約是20%-30%左右。從這一較低的市場佔有率其實也能反應出,鋰離子電池的確具有一些致命的缺陷。

  雖然如此,但是我們並不能否認鋰離子電池的各種優勢。例如鋰離子電池的工作電壓一般可以達到3.5v-3.8V之間,實驗室研製的鋰離子電池更是可以高達5V,另外鋰離子電池在容量和能量密度方面也要更出色,上述兩點特性通常優於傳統鎳鉻鎳氫電池兩倍以上。更重要的一點是,不同於傳統的重金屬元素電池,鋰離子電池對於環境也更友好。

  一般鋰離子電池主要由三個部分構成:正極、負極和電解液。

  正極材料在我國屬於研究比較早,產業發展也比較早的一塊,一般商用的有:層狀結構的錳酸鋰,尖晶石和橄欖石結構的錳系列材料和磷酸鐵鋰。負極方面商用的材料只有石墨。與傳統二次電池不同,鋰離子電池的電解液為有機電解液,這裡面有一個重大的安全隱患就是,這個由有機物組成的電解液相對於水性電解液來說屬於易燃物。

  需要指出的是,目前常見的商用電解鹽是一種叫做六氟磷酸鋰的物質。這種物質的特性之一就是環境溫度達到60攝氏度就會發生分解,而這一溫度在我們手機的日常使用中是非常容易達到的。六氟磷酸鋰的分解還會釋放氣態物質,這就造成了很大的安全隱患。

  除了以上三大塊之外,鋰離子電池另一個比較重要的組成部分就是隔膜。隔膜通常由PP或者PE材料的塑料膜構成,它主要的作用就是隔離開電池的正極和負極,防止短路。需要注意的是,為了保證鋰離子在充放電過程中的順利通過,隔膜通暢都要求孔徑結構的排布絕對均勻,因此對製造工藝要求很高,早年國內並不具備隔膜的生產能力。這裡,隔膜的工藝水平也對電池的安全起到了重要作用。

  說到鋰離子電池的工作原理,業界一般也稱鋰離子電池為「搖椅式電池」。如圖所示,鋰離子電池的正極通常選取的都是鋰原子比較容易拖欠下來的材料,在充電時,鋰原子脫離正極成為鋰離子,然後經過電解液的運輸,通過隔膜中間的孔徑結構,達到負極,存儲在石墨中。放電時,鋰離子又脫離負極,經過電解液的運輸,通過隔膜,回到正極材料中。這就是整個鋰離子電池的充放電過程,鋰離子在電池中就像人在搖椅中那樣左右來回搖動。

  從這個過程中我們能夠看到,鋰離子在電解液中往復傳輸,首先要求電解液的粘度不能太大,太大則會形成傳輸阻力,引發局部過熱。此外,隔膜也要保證足夠通暢,並且要求具有一定的強度,隔膜不能阻礙鋰離子的通過,也不能經過幾次充放電過程就出現破損或者孔徑增大,這都是保證鋰離子電池安全的重要條件。

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