智能手機(jī)的電池為何會爆炸燃燒

曾經(jīng)有關(guān)手機(jī)燃燒爆炸的案例，大都源于沒有品質(zhì)保證的山寨機(jī)或山寨電池。如今，作為Android領(lǐng)域的旗艦標(biāo)桿，三星Galaxy Note 7竟然也會爆炸，這不禁讓我們有了一股“狼來了”的想法。是什么原因?qū)е铝祟愃芅ote 7電池爆炸的事故呢？

鋰電池的三種形態(tài)

在3C電子領(lǐng)域，鋰電池大體可以分為三種類型，它們分別是18650電池、鋰離子電池（Li-ion）和鋰聚合物電池（Li-Po）。它們都是由外殼、正極材料、電解質(zhì)和負(fù)極材料等構(gòu)成，而差異就體現(xiàn)在了外殼（形態(tài)）和電解質(zhì)的類別上。

其中，18650是一種直徑為18mm，長度為65mm的圓柱體電池（圖1），我們可以將它視為更大的5號電池，其內(nèi)部普遍以液態(tài)的電解質(zhì)為主。18650電池最常被應(yīng)用在移動電源（圖2）、早期筆記本的可拆卸電池、移動音箱、電動剃須刀等小巧的數(shù)碼產(chǎn)品身上，而電動自行車的電池模組內(nèi)部也普遍是由數(shù)十個18650電池串聯(lián)+并聯(lián)組成。由于18650電池形態(tài)固定且（相對）太過龐大，所以自然不可能為手機(jī)所用。

鋰離子電池，我們可以將它視為被“壓扁”的18650，它內(nèi)部的電解質(zhì)也多為液體，只是連同正負(fù)極材料一起，被一個方形鋁殼或鋁塑軟包裝包裹其中（圖3）。和18650相比，鋰離子電池可以做得更薄，所以曾有一段時間成為了移動電源的最愛。需要注意的是，由于鋰離子電池和18650電池結(jié)構(gòu)相似，所以它們都存在一個不容忽視的安全隱患：在極端情況下，它們不僅會燃燒，還有一定的爆炸幾率（用“爆燃”形容可能更準(zhǔn)確），危險系數(shù)相對偏高。

鋰聚合物電池的形態(tài)和鋰離子電池很像，也是一種扁平形態(tài)的能量體。只是，它將內(nèi)部的電解質(zhì)從液態(tài)換成了干狀或膠狀的固態(tài)物質(zhì)（多為聚乙二醇或聚丙烯腈類），而包裹它的外殼材料則多是鋁塑軟包裝（圖4）。在極端情況下，鋰聚合物電池多以燃燒為主而不會出現(xiàn)爆炸，因此它的安全系列相對要好一些。

尋找Note 7爆炸的兇手

目前，智能手機(jī)所用的電池既有鋰離子電池，也有鋰聚合物電池。很不幸，出現(xiàn)爆炸燃燒事故的三星Galaxy Note 7（圖5），它們所用的由Samsung SDI供貨的電池就都是鋰離子電池（圖6）。因此，Galaxy Note 7也就有了所謂“爆炸”隱患，否則它們應(yīng)該只會燃燒而已。

實際上，無論是鋰離子電池還是鋰聚合物電池，它們的性能都是一樣的，只要確保充放電安全你根本就體會不到它們的差別。如曾有其他媒體做過拆解測試，iPhone 4s的電池為鋰聚合物，而iPhone 5s則換成了鋰離子電池，你能說電池技術(shù)倒退了？

此外，一些面向全球銷售且出貨量巨大的熱門手機(jī)，它們的電池供應(yīng)商普遍不止一家。之所以三星在國內(nèi)銷售的Galaxy Note 7沒有被召回，就是因為國行版選的電池改為了由ATL提供的鋰聚合物電池。而iPhone的歷代版本中，可能也涉及到既有鋰離子電池也有鋰聚合物電池的時候，只是因為Galaxy Note 7“出事了”，鋰離子電池的安全隱患問題才被無限放大。

換句話說，國外銷售的Galaxy Note 7所遭遇的爆炸問題和鋰電池的類型沒有太大關(guān)系，它們“出事”的本源，則是電池設(shè)計和生產(chǎn)中的瑕疵引起的。只是在討論這個瑕疵之前，我們還需先一步了解鋰電池的正極材料和工作原理。

重新認(rèn)識正極材料

目前鋰電池的負(fù)極材料主要以石墨為主，而正極材料則是對電池性能（包括能量密度、充電速度、循環(huán)壽命等）的影響最大的部分。

鈷酸鋰（LiCoO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）、錳酸鋰（LiMn2O4）和三元復(fù)合材料（NCM或NCA）是鋰電池最常見的正極材料。其中，鈷酸鋰是最早商業(yè)化且最為成熟穩(wěn)定的材料（圖9）。早在1990年索尼就推出了鈷酸鋰離子電池，隨后這種正極材料就逐漸統(tǒng)治了手機(jī)、筆記本、平板電腦等3C電子領(lǐng)域，它每克容量參數(shù)多在150mAh/g左右（這個指標(biāo)的數(shù)值越高，單位體積下所能達(dá)到的電量就越高）。

在動力電池領(lǐng)域（如電動汽車），磷酸鐵鋰曾經(jīng)是普及率最高的正極材料，可惜它實際每克容量很難突破120mAh/g，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前和未來的市場需求。錳酸鋰雖然每克容量接近150mAh/g，但卻存在高溫性能差和循環(huán)壽命低等缺陷。因此，如今動力電池領(lǐng)域?qū)嶋H上是三元材料大行其道的格局，目前市場上的產(chǎn)品已經(jīng)可以達(dá)到170 mAh/g～180mAh/g。

可惜，三元材料受限于成本和各種因素的制約，至少在短期內(nèi)無法在手機(jī)領(lǐng)域大量應(yīng)用。所以我們身邊智能手機(jī)的電池，在未來很長一段時間里依舊是以鈷酸鋰作為正極材料。由于正極材料固定，這意味著單位電池體積能容納多少電量是可以被計算出來的（圖10），如果想在電池體積不變的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升容量，那就需要進(jìn)一步調(diào)整電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)了。

而Galaxy Note 7電池的爆炸門事件的發(fā)生，據(jù)了解就是因為Samsung SDI在給電池增容的環(huán)節(jié)出現(xiàn)了疏漏，最終導(dǎo)致了這種嚴(yán)重的安全生產(chǎn)問題。

回顧鋰電池工作原理

想了解Galaxy Note 7電池為何爆炸燃燒，還得繼續(xù)了解一下鋰電池的工作原理。

為了便于理解，我們可以將鋰電池簡化為由正極材料鈷酸鋰（LiCoO2）、電解質(zhì)、隔離膜和負(fù)極材料石墨四個部分組成。

給鋰電池充電的過程中，正極材料LiCoO2分子中的鋰元素會被分離出來，變成一個帶有正電荷的鋰離子（Li）。在外加電場的作用力下，這個鋰離子會穿越電解質(zhì)和隔離膜，展開一場從正極到負(fù)極的“旅行”，到達(dá)終點負(fù)極后會與其中的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成LiC6，并穩(wěn)定地嵌入到負(fù)極的石墨層狀結(jié)構(gòu)當(dāng)中。在單位時間內(nèi)，從正極跑出來的鋰離子越多，這個電池可以存儲的電量也就越大。

如此一來就可以解釋前文中為什么正極材料會影響電池的總能量了：單位重量的不同正極材料中可以跑出來的鋰離子數(shù)量是不一樣的。

在鋰電池放電的過程中，則是鋰離子從負(fù)極到正極的“回家旅行”，也就是充電時的反過程：鋰元素從負(fù)極中的LiC6脫離，變成鋰離子回到正極材料，發(fā)生反應(yīng)還原為最初的LiCoO2。

總之，鋰離子就是每一次充放電過程中的“搬運工”，不斷重復(fù)著從正極→負(fù)極→正極的循環(huán)移動（圖11）。它通過與正、負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移。

需要注意的是，在鋰電池的充放電過程中，正極與負(fù)極是不能出現(xiàn)直接接觸的，否則就會出現(xiàn)短路，造成電池異常發(fā)熱，引起燃燒爆炸等嚴(yán)重問題（圖12）。前面提到鋰電池四個組成部分中的隔離膜，就是夾在正極與負(fù)極之間，防止它們越界接觸的“隔離帶”。

為了100%避免鋰電池正負(fù)極的接觸，電池廠商通常會在里面塞進(jìn)（相對）很厚的隔離膜（圖13）。在電池體積一定的情況下，隔離膜越厚，代表能塞進(jìn)去的正負(fù)極材料和電解質(zhì)越少，也就造成了電池的體積能量密度變低。

Note 7爆炸門的根源

Galaxy Note 7是一款屏幕大、配置高的旗艦手機(jī)，而三星既想讓它擁有出色的續(xù)航時間，又不希望犧牲厚度和重量。因此，如何讓體積一定的鋰電池?fù)碛懈蟮哪芰浚ň褪莔Ah數(shù)值），就成為了擺在面前的公關(guān)項目。

而三星（準(zhǔn)確來說是三星提出需求，由Samsung SDI執(zhí)行）的解決方案是，削減鋰電池中隔離膜的厚度，如此一來就有了更多空間用于安置正極和負(fù)極材料。

問題來了，Galaxy Note 7電池里的隔離膜本來就不厚，想再削薄一點，對生產(chǎn)工藝和安全檢測的要求也就越高。因為當(dāng)隔離膜很薄的情況下，稍微的質(zhì)量瑕疵就會導(dǎo)致正負(fù)極的接觸而出現(xiàn)短路。很明顯，Samsung SDI就沒能檢測出Galaxy Note 7電池可能存在的隔膜缺陷，直到出現(xiàn)燃燒爆炸案例之后才引起重視，最終（圖14）……

爆炸門帶來的安全預(yù)警

可以說，在Galaxy Note 7爆炸門事件發(fā)生以前，每一款手機(jī)都以更薄的身材卻配有更大的電池為榮，而作為消費者的我們也在不斷苛求手機(jī)廠商推出超大電池的產(chǎn)品。殊不知，受限于電池能量密度的計算公式（電池能量密度=電池容量×放電平臺÷電池厚度÷電池寬度÷電池長度），在鋰電池正極材料沒有突破的前提下，單位體積的鋰電池注定有著一個最大的理論上限（圖15）。

像Galaxy Note 7這種通過減少隔離膜厚度換取更大容量的做法并不是什么新鮮的手段，實際上這已經(jīng)成為了電池產(chǎn)業(yè)最為常見的解決方案。如果沒有發(fā)生此次的爆炸門事件，相信還會有更多廠商樂此不疲地將這條電池擴(kuò)容之路進(jìn)行到底。希望此次的安全事件可以讓包括你我在內(nèi)的消費者可以理性看待電池容量“總是不夠用”的先天缺陷，而手機(jī)和電池廠家也能更為注重安全質(zhì)檢，畢竟一次事故帶來的可能不僅僅是手機(jī)損害，一旦引起火災(zāi)或是傷到用戶自身，這個代價未免太大了。