手機電池缺陷分析

雷振超 向磊 孫卜一

摘 要：隨著科技的發(fā)展，手機越來越普及，但其出現(xiàn)的問題也越來越多，特別是手機電池引發(fā)的問題，關(guān)涉到消費者的財產(chǎn)和安全問題，顯得尤為重要。而鋰電池以其優(yōu)良的特點得到了廣泛的運用。本文從鋰離子電池組的安全性進行分析，對消費者選擇手機作為一個參考值。

關(guān)鍵詞：手機；鋰離子電池；安全

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，手機質(zhì)量在不斷提升，價格在逐漸下降，再加上人民經(jīng)濟能力和生活水平的提高，我國手機的普及率在不斷上漲。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計：截止到2015年年底，中國手機普及率已達到92.49部/百人，手機網(wǎng)民數(shù)量達7.8億，占全國人口數(shù)量的56.9%，手機已成了多數(shù)人的必需品。即時通訊、拍照、看視頻、收發(fā)郵件、查看網(wǎng)頁等，現(xiàn)在流行的智能手機擁有各種各樣人性化的功能；蘋果、三星、諾基亞、華為、小米、魅族等，手機的品牌也在不斷增多；與此同時，手機本身的缺陷及弊端也在不斷暴露。近年來，手機過熱、手機死機、手機待機時間過短、手機頻繁自動關(guān)機等問題屢見不鮮，甚至還出現(xiàn)三星Note 7爆炸事件，而手機所出現(xiàn)的這些故障又與手機電池缺陷息息相關(guān)。

手機電池是為手機提供電力的儲能工具，其主要由鋰離子電池芯、保護電路及外殼三部分組成。常用的手機電池一般分為三種：鎳-鉻類、鎳-氫類和鋰離子類。相較于鎳-鉻電池和鎳-氫電池，鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、重量輕、無污染、能量密度高且無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，故占據(jù)目前手機電池市場的主流。因此，本文將研究對象設(shè)定為廣泛應(yīng)用的鋰離子電池組。

1.鋰離子電池組的組成

（1）鋰離子電池芯

鋰離子電池芯是指含有鋰離子的能夠直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，一般分為鋁殼電芯、軟包電芯和圓柱電芯三種，手機電池通常采用的為鋁殼電芯。該裝置包括電極、隔膜、電解質(zhì)、容器和端子等，并被設(shè)計為可充電。

電極是電池的核心部分，由活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架構(gòu)成。正負極活性物質(zhì)是電能產(chǎn)生的源泉，是決定電池基本特性的重要組成部分。負極主要是各種碳材料，包括石墨化碳材料和無定形碳材料。

隔膜是由高分子聚烯烴樹脂做成的微孔膜，隔膜的基本功能是阻止電子傳導(dǎo)，同時在正負極之間傳導(dǎo)離子，從而將鋰離子電芯的正負極分開，避免正負極接觸發(fā)生短路。

電解質(zhì)是鋰電芯的主要組成之一，主要承擔(dān)著通過電池內(nèi)部在正負極之間傳輸離子的作用，其對電池的容量、工作溫度范圍、循環(huán)性能及安全性能都有重要的影響。

端子是鋰離子電池與外部導(dǎo)體連接的部件，主要起傳遞信號或?qū)щ姷淖饔谩Ｊ謾C電池一般有三個端子，分別是兩個工作端子和一個記錄測試電池參數(shù)的端子。

（2）保護電路

鋰電池的保護功能通常由保護電路板和熱敏電阻PTC協(xié)同完成，保護板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，即時控制電流回路的通斷。保護板可實現(xiàn)電池組各單體電池的均充，有效地改善串聯(lián)充電方式下的充電效果。同時檢測電池組中各個單體電池的過壓、欠壓、過流、短路、過溫狀態(tài)，保護并延長電池使用壽命。

（3）外殼

鋰離子電池外殼的作用主要是起到保護鋰離子電池內(nèi)部材料不受損害的作用，主要有鋼殼、鋁殼和鋁塑膜等材質(zhì)。

2.手機電池的工作原理

鋰離子電池的工作原理分為充電和放電兩個過程。充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，通過電解質(zhì)擴散到負極，并嵌入到負極晶格中，同時得到由外電路從正極流入的電子，放電過程則與之相反。

3.手機電池自身的安全保護措施

為了營造安全的工作條件，設(shè)計者們在設(shè)計之初便從手機電池的電壓、內(nèi)部溫度和內(nèi)部氣壓三個方面設(shè)計了其自身的安全保護措施，以提高電池的安全性能，主要包括以下幾個方面。

（1）防爆閥或防爆膜

防爆閥或防爆膜是指在電池殼體或上蓋特定部位設(shè)計的安全裝置。當(dāng)電芯內(nèi)部氣壓反常增加并超出正常范圍時，防爆閥或防爆膜就會變形爆開以釋放壓力，從而保護電芯不發(fā)生爆炸。

（2）機械連接

當(dāng)電池內(nèi)壓因異常而升高時，電流斷流裝置可切斷電池的正極引線使得電流斷開，從而達到保護的目的。

（3）隔膜遮斷

在鋰電池的隔膜中可設(shè)計電池在過充電、短路情況下的保護帶，從而作為安全保護措施。

（4）PTC元件

防爆閥或防爆膜、機械連接裝置以及隔膜一旦啟用電池則會報廢，因此，鋰電池中加入了一個可逆的安全裝置，即PTC元件。其處于引線斷路器和正極蓋之間，且跳閘溫度要低于隔膜切斷的溫度。

（5）PCB電路板

PCB電路板是一種防止電池過充、過放、短路等管理功能的電子線路，某些安全性比較好的手機電池的電路板上還設(shè)置有溫度保護、穩(wěn)壓保護和穩(wěn)流保護等，能夠全面的實現(xiàn)對手機電池的安全保護功能。

4.手機電池缺陷的危險性分析

對于手機電池來講，其充放電過程中伴隨著化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)換，此處從能量轉(zhuǎn)移的角度對手機電池的危險源進行辨識：

通過對手機電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理進行分析，熱能異常轉(zhuǎn)化路徑如下：a）電芯自身材料選擇及設(shè)計制造工藝缺陷，導(dǎo)致電芯原有的對手機電池的保護機制失效；b）外界環(huán)境高溫、電池材料熱穩(wěn)定性缺陷、PCB電路板高溫以及散熱能力缺陷導(dǎo)致電芯內(nèi)部的熱量積聚，內(nèi)部溫度升高誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)放熱；c）超壽命使用等不良使用習(xí)慣，導(dǎo)致電芯內(nèi)部有鋰枝晶產(chǎn)生或正負極塌陷，使得極化現(xiàn)象嚴重，大量電能向熱能異常轉(zhuǎn)化而誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)放熱。

手機電池的安全裝置主要包括防爆閥或防爆膜、電流遮斷裝置、隔膜切斷裝置、PTC元件和PCB電路板。此五種安全裝置同樣是手機電池故障的危險源。

手機電池外殼及電芯外殼材料的散熱能力、阻燃能力以及封裝質(zhì)量是否合格至關(guān)重要，二者均應(yīng)采用設(shè)計制作技術(shù)優(yōu)良的防火防爆外殼。

手機電池的設(shè)計及制造工藝對于手機電池的安全性至關(guān)重要。另外，部分商家為追求高利益而生產(chǎn)的劣質(zhì)電芯，會影響電芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料的穩(wěn)定性，使電池在工作過程中極易導(dǎo)致短路的發(fā)生。

此外，電池發(fā)生漏液，與制造工藝密切相關(guān)。例如手機電池的制造過程中，在焊接電池或電芯外殼時，由于焊接不牢固、不密封，有漏焊、虛焊，焊縫有裂縫、裂口等原因?qū)е碌碾姵鼗螂娦就鈿し庋b不合格。而此類情況使得電池電芯失去保護，一旦出現(xiàn)漏液，便會導(dǎo)致極其嚴重的后果

使用者的危險行為是手機電池缺陷發(fā)生的一大原因。其中，針刺、擠壓以及撞擊等機械損傷不僅會導(dǎo)致電池短路，還容易造成電池漏液，使得能量意外釋放，導(dǎo)致危害的發(fā)生。另外，當(dāng)電池超壽命使用時，電芯內(nèi)部材料極易破損，熱穩(wěn)定性降低，容易導(dǎo)致電池短路及產(chǎn)熱量增加，提高事故發(fā)生的概率。

手機電池的使用環(huán)境是必不可少的一個環(huán)節(jié)。其中，高溫環(huán)境不僅能夠為電芯的副反應(yīng)提供熱量來源、降低手機電池的散熱能力、增加熱保護電路電子元器件的失效率，從而增加手機電池由于熱量積聚而導(dǎo)致的熱缺陷；還容易使得電芯內(nèi)外出現(xiàn)壓力差，提高電池漏液缺陷發(fā)生的可能性。環(huán)境濕度過大會降低電池散熱能力且易導(dǎo)致漏電、短路現(xiàn)象的發(fā)生。此外，當(dāng)手機電池長時間在低氣壓的條件下使用時，會增加電池漏液的危險。

因此，手機電池的缺陷主要表現(xiàn)在：手機電池固有的穩(wěn)定性、手機電池缺陷的觸發(fā)因素、手機電池自身安全防護系統(tǒng)以及手機電池電芯故障后的防護系統(tǒng)四大類。所以，對于消費者在選用手機的時候，電池的穩(wěn)定性和安全性也是必須要考慮的因素之一。通過本文的簡單分析，使大家對手機電池的危險產(chǎn)生根源有一個大概的認識，指導(dǎo)平時手機的使用，避免危險的出現(xiàn)。

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作者簡介：

雷振超，出生年月：1986.07，性別：男，民族：漢，籍貫：河南南陽，當(dāng)前職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：通信.