電池工作的原理和“熱失控”

要了解電池安全問題，我們需要了解電池的工作原理。電池有兩個電極，其中一個電極上有正電離子，被稱為陰極。陰極是存儲“燃料”的地方，里面充滿鋰元素。另一個電極上有負電離子，稱為陽極。

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

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

而GalaxyNote7電池的問題就是隔板存在缺陷，沒能正確隔開兩個電極。“這是最糟糕的情況之一，因為電池很有可能起火甚至爆炸。”亞徹說。

電解質本身不太穩(wěn)定，電離子在其中的移動也帶來了不穩(wěn)定性。當有大量的熱量產生時——無論是通過兩個電極互相接觸還是僅僅因為外部過熱——電解質可能會與其他化學物質發(fā)生反應，產生氣體，釋放更多的熱量。隨著化學反應的反復發(fā)生，氣體以越來越快的速度釋放越來越多的熱量。這個過程將產生“熱失控”，并可能導致起火燃燒。

這就是為什么很多手機在過熱時會自動關機的原因。不過電池爆炸也可能是其他原因引起的。電池過度充電或充電過快，都有可能導致電池起火或者爆炸。

電池過充往往是廠商的責任

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入陽極。

普林斯頓大學的材料科學家丹斯特恩加特（DanSteingart）表示，電池就像是橡皮筋。當你給電池充電時，就好像是在拉伸橡皮筋；當你使用電池的時候，就好像是放開橡皮筋。如果你過度拉伸橡皮筋，它就會斷掉，而給電池過度充電，它也同樣會壞掉。

但過度充電并不是用戶的錯誤，因為大多數電池都有自動防過充的功能。但是如果制造商在生產過程中把關不嚴，電池電路存在故障，無法自動防止過充，那問題就大了。

此外，充電太快也是一個問題。快速充電意味著在短時間內向電池充入太多電能，這就是“快速充電技術”的危險所在。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”的針狀結構，它們可以導致短路電池。

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，電解質越容易產生化合作用，從而導致起火或爆炸。

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、不要把手機放在枕頭下

不要把手機放在枕頭下，因為當你給手機充電的時候，它會變熱。如果這時候它還被壓在枕頭下面，就會產生更多的熱量。而電池需要的是降溫。你可能覺得把手機放在枕頭下面很方便，但是最重要的還是安全。

2、使用有授權的充電器

請使用手機原廠充電器，它們的質量是有保證的。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，就要從授權零售商處那里購買充電器。不要舍不得花錢，那樣只會因小錢失大錢。

3、不要把手機放在過熱的環(huán)境中

不要直接在陽光下使用手機。要避開高溫環(huán)境，讓手機遠離一切產生大量熱量的東西。夏天不要長時間把手機鎖在車里，那樣會把手機烤壞。當環(huán)境溫度超過45攝氏度的時候，盡量不要給手機充電。在5℃到45℃這個區(qū)間充電是比較安全的。你應該避免在溫度過低或者過高的環(huán)境中給手機充電。

4、不要同時使用太多APP

同時執(zhí)行多個任務會產生大量熱量，所以一次只使用一個app比較好。當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下載。少在手機上玩圖形密集型游戲，這會給電池帶來沉重負擔。關閉你沒有使用的所有任務。那種比較耗資源的應用，能不開就不開。雖然你可能會覺得這樣玩手機不太盡興，但總比電池爆炸了強。

5、不要使用太厚的手機套

手機殼可以起到保護和裝飾手機的作用。有些手機殼設計得很有趣。但是注意不要選擇太厚的手機殼，它們不利于手機散熱。最重要的是，戴著手機殼的時候，不要過度使用手機，否則手機會越來越熱。皮卡丘手機外殼看起來確實很萌。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？

有些人認為，電池爆炸可能是廠商將技術推向極限的結果。手機屏幕越大、功能越強大，耗電也就越多，而我們大多數人總是希望電池續(xù)航時間越長越好，充電速度越快越好。

美國康奈爾大學（CornellUniversity）的材料科學家林登亞徹（LyndenArcher）表示，目前鋰電池的續(xù)航時間已經差不多可以達到理論極限值的90%。所以，各大手機廠商正在向極限推進，希望獲得盡可能長的續(xù)航時間。

“智能手機廠商都希望獲得盡可能最長的電池續(xù)航時間，這有點像是在搞軍備競賽。”亞徹說。“結果就越來越容易發(fā)生電池事故。”

話雖如此，你也不用過于擔心。只要查看一下統(tǒng)計資料，你會就知道鋰離子電池還是相對安全的。鋰離子電池的先驅、美國東北大學的教授亞伯拉罕（K.M.Abraham）表示，“每天全球各地有數十億部手機和電腦在使用”，相對來說，事故發(fā)生的比例非常小。

“一般來說，手機起火的可能性非常非常小，”亞伯拉罕說。“鋰離子電池的故障率低于百萬分之一。”只需要做個比較就知道了，美國國家海洋和大氣管理局的資料顯示，一個人一輩子被閃電擊中的可能性是1.3萬分之一。

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

鋰離子電池vs.競爭者

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

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

雖然鋰離子電池代表著目前的最高設計水準，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。

最有希望的競爭者是“固態(tài)電池”。這種電池中的電解質是固態(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9000萬美元收購了這家公司。

聯(lián)合能源存儲研究中心的主管喬治克拉布特里（GeorgeCrabtree）認為，該公司的固態(tài)電池技術看上去很有前途，但是，如果它已經準備好了推出一款可以用在智能手機上面的鋰離子電池替代品，那么蘋果或三星這樣的電子產品巨頭可以開出高10倍的價格。

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

鋰硫電池是一種固態(tài)電池，它的優(yōu)點是重量輕，非常適合高空無人機使用。但這種電池也有一個問題：充電次數很有限，目前是大約20次。這就意味著要用鋰硫電池還需要進行大幅改善，才有希望應用在移動電話、筆記本電腦和其他消費電子產品中。

目前還有更多的電池技術正在開發(fā)之中，每一個都有自身的優(yōu)點和缺陷。盡管在未來一兩年內，手機鋰離子電池仍然無可替代，但這個領域的競爭者如此繁多，一些專家認為用不了多長的時間，就會出現更好更安全的電池。

“我認為現在是一個重要時刻。在未來5到10年內，我們將看到電池技術發(fā)生巨大變化，”克拉布特里說。