三星手機GalaxyNote7爆炸背后的原因

JV+Chamary+李雨蒙

近日，全球發(fā)生多起三星GalaxyNote7手機過熱甚至爆炸事件，隨后三星公司宣布召回新款Note7手機，并解釋稱：“公司已經(jīng)進行了深入調(diào)查，發(fā)現(xiàn)手機電池存在問題?！?/p>

根據(jù)三星公司的數(shù)據(jù)顯示，目前召回的250萬臺Note7手機中，有35例爆炸案件，雖然這個數(shù)字感覺上相對高，但實際上還沒達到普遍的程度?！半姵毓收鲜菢O少發(fā)生的情況?！眰惗卮髮W(xué)化學(xué)工程師Donal Finegan這樣說到，他表示：“任何缺點都會引來大批媒體的關(guān)注，尤其會影響那些依賴電池的產(chǎn)品的聲譽?！?/p>

同其他大多數(shù)的可充電電子設(shè)備一樣，手機也同樣使用鋰電池。Finegan表示，“鋰電池是大功率的高能電池，可能是引起爆炸的一大原因”。然而，究竟是什么原因?qū)е逻@些電池容易著火甚至爆炸的呢？

電池如何運作

首先，我們需要對電池的運作方式有個大概的了解。它們有3個主要組成部分：一端正極，一端負(fù)極，以及兩端之間的電解質(zhì)。電壓產(chǎn)生后，會驅(qū)使鋰離子從一端轉(zhuǎn)向另一端，進而充電和放電。這一過程絕大部分時間都不會引發(fā)問題。但一旦有問題出現(xiàn)，問題會變得非常嚴(yán)重，且會快速惡化。

“有幾件危險的事情可能會發(fā)生。”阿貢國家實驗室儲能研究聯(lián)合中心主任喬治·克拉布特里（George Crabtree）指出，“其中一件是過度充電，這會導(dǎo)致發(fā)熱，進而導(dǎo)致正極發(fā)生多余的化學(xué)反應(yīng)?！边@個問題在放電時也可能會發(fā)生?？死继乩镎f，負(fù)極包含氧化物，氧化物能夠與電解質(zhì)中的有機材料結(jié)合，然后產(chǎn)生熱量?；煊须s質(zhì)的“劣質(zhì)”電池也有可能導(dǎo)致預(yù)想不到的后果。

在充電時，充電器的電流將正極中的鋰離子趕了出來，這些鋰離子經(jīng)過正極與負(fù)極之間的電解液“游”到負(fù)極中；而放電時，這些鋰離子又從負(fù)極中經(jīng)過電解液“游”回正極中，為手機工作提供了電能。在這個過程中，正極與負(fù)極一定不能直接接觸，否則就會發(fā)生短路，造成電池的異常發(fā)熱，甚至?xí)?dǎo)致起火爆炸等危險。

熱源

手機過熱很顯然由溫度升高導(dǎo)致，這其中有環(huán)境因素，比如夏天暴曬過的汽車內(nèi)或是手機內(nèi)其他零件的升溫轉(zhuǎn)導(dǎo)至電池上。其中一個熱源來自于手機的“電池管理系統(tǒng)”，系統(tǒng)將檢測電流的狀態(tài)，當(dāng)電池充滿時，手機內(nèi)的芯片將自動切斷電流。如果系統(tǒng)或芯片發(fā)生故障，電池會進入“過度充電”狀態(tài)。

目前來看，保護電路似乎沒有起到作用。正常情況下，一旦電池達到特定問題，保護電路會馬上關(guān)閉電池。但這一點也無法百分百肯定。一方面，三星方面還沒有透露具體的原因，只是說“電池問題”。另一方面，該公司很有可能是同時從幾家供應(yīng)商采購電池，質(zhì)量難免有不合格。

隔膜防起火

如何保證電池內(nèi)部的正極與負(fù)極互相不接觸并且之間還有充足的電解液給鋰離子來回“游動”呢？這就是通過鋰離子電池中的一個關(guān)鍵材料——隔膜來實現(xiàn)的。

當(dāng)手機商對隔膜材料質(zhì)量控制不嚴(yán)或者工藝缺陷，導(dǎo)致隔膜局部變薄，不能有效隔離正極與負(fù)極，就會造成電池的安全問題。另一方面，企業(yè)為提升電池的體積能量密度、延長手機電池續(xù)航能力，而采用了更薄的隔膜材料。

熱逃逸（Thermalrunaway）

事實上，手機并不具備一般個人電腦或電動車上的風(fēng)扇或液體冷卻機制，所以電池產(chǎn)生的熱量只能向四周輻射。當(dāng)電池達到100攝氏度，電池本身的材料就已經(jīng)開始損壞，并引起一系列化學(xué)連鎖反應(yīng)。

這也正加速了發(fā)熱情況，引發(fā)雪球效應(yīng)—這一過程被稱為“熱逃逸”現(xiàn)象。Crabtree表示：“熱逃逸發(fā)生時，釋放出的熱量太多，以致于溫度上升，化學(xué)反應(yīng)因而變得更加快速，這也是大家都擔(dān)憂的問題?！?/p>

一旦放熱反應(yīng)達到150攝氏度左右，它就會持續(xù)進行，直至有東西著火。這些問題并不一定在你第一次給智能手機充電時就會發(fā)生，它們會慢慢形成?！澳愕玫降碾姵卦诮?jīng)過很多個充放電周期后可能會變得沒那么強健?！盋rabtree認(rèn)為，“電解質(zhì)中的某種合成錯誤，又或者電極開始累加，都會引發(fā)小型的化學(xué)反應(yīng)。久而久之，你就會遭遇嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)?！背鲥e的東西越多，會造成破壞的化學(xué)反應(yīng)就會越多。簡單來說，鋰離子電池非常復(fù)雜，一旦出錯就會引發(fā)嚴(yán)重的后果。

“電池本身含有一個芯片，該芯片是旨在防止事故發(fā)生的保護電路?！痹诰€維修社區(qū)和零部件零售商聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO凱爾·韋恩斯（KyleWiens）說道。iFixit最近對GalaxyNote7進行了拆解，檢驗了該款手機所有的內(nèi)部元件。Wiens在拆解后指出，可以說沒有一樣?xùn)|西必定會導(dǎo)致GalaxyNote7的過熱問題。

他認(rèn)為，手機是有一些潛在的危險信號：一方面，它使用高電壓電池，另一方面，玻璃后殼的散熱效果沒有金屬后殼那么好。不過，沒有理由認(rèn)為這些是過熱問題的核心原因，尤其是考慮到類似的智能手機并沒有發(fā)生爆炸。

熱量傳播

傳統(tǒng)上，研究人員依靠X光檢查電池爆炸前后的狀態(tài)?，F(xiàn)在，倫敦大學(xué)的PaulShearing實驗室模擬了一些列的反應(yīng)狀態(tài)—將電池升高到異常的300攝氏度，運用熱成像技術(shù)觀察在熱逃逸反應(yīng)下發(fā)生的現(xiàn)象。

鋰離子電池是多層結(jié)構(gòu)，每一層都有正極和負(fù)極。充電時，鋰離子會從正極流到負(fù)極，當(dāng)電量耗盡時，離子會返回到正極。手機內(nèi)薄長型的電池不斷重復(fù)的電極層，就像筆記本里的紙。而圓柱形蓄電池的電極層就像是卷起來的報紙。而熱失控就像是介于兩種排列之間的狀態(tài)。相比圓柱形蓄電池，長方形電池更容易出現(xiàn)故障，因為長方形電池的中心支撐常常幫助預(yù)防內(nèi)部電層的變形，就像在電池伸縮時，“安全隔膜”將攔截電流，由于尺寸有限，手機不會再有第二個自動防故障裝置。目前，倫敦大學(xué)團隊正在與NASA合作開發(fā)在已知位置主動引起短路的設(shè)備。這樣的設(shè)備有助于研究人員有效監(jiān)測芯片內(nèi)的熱量是如何傳播的。

化學(xué)工程能夠幫助未來的手機產(chǎn)業(yè)降低電池失敗的風(fēng)險。倫敦大學(xué)團隊研究人員Finegan表示：“希望我們的研究成果能夠被手機產(chǎn)業(yè)應(yīng)用于改善手機的設(shè)計，并預(yù)防類似爆炸的嚴(yán)重事件不再發(fā)生，這也是我們正在努力的目標(biāo)?！?