物理

手机爆炸,CEO惨死家中,锂电池因何化身“定时炸弹”?

圆的方块 发表于  2018-07-03 12:55

|· 本文来自“我是科学家”·|

一个炎夏的晌午,一台手机正静静躺在主人枕边充电。

闷热的天气和持续的电流,让机身的温度不断升高。

此刻,手机里的电池,感觉非常糟。它的体内,有片叫做“隔膜”的部位正在被高温渐渐融化。没了隔膜的保护,电池发生了短路,从而产生更多的热量。

这一可怕的循坏在电池内部愈演愈烈,致使温度陡升,甚至让它腹中的电解液都开始沸腾。与此同时,电池的外壳,在高温和内压的双重作用下,鼓胀变形。

作为一块电池,它即将迎来最糟糕的死法——爆炸

它的爆炸,带走了还在梦乡的年青主人的性命。

今年6月,马来西亚摇篮基金私人有限公司CEO ——纳兹林,午休时在床边给手机充电。手机电池因过热爆炸并引发火灾,纳兹林头部被严重炸伤,最终身亡。这也是近期由手机电池爆炸造成的 最严重事故之一。图片来源:"The Star Online"YouTube截图

近些年来,由锂电池引发的爆炸事故频频发生。生活在现代,但凡目力所及,总能看到些藏着电池的物件:低头刷着的手机、不停敲击的笔记本电脑、路边停泊的汽车……都由锂离子电池暗中供能。而对锂离子电池安全隐患问题的讨论,一直以来不绝于耳,毕竟这些电池生来就是“爆”脾气。

锂电池=“定时炸弹

为什么锂电池会变身“定时炸弹”?这就要从锂电池的构造说起了。

商用的锂离子电池主要由四部分组成,分别是正极、负极、隔膜和电解液

商用锂离子电池的内部结构,图片来源:参考文献[1],翻译:圆的方块

充电时,锂离子从正极中出来,经过电解液,穿过隔膜到达负极,放电时则相反。于是,随着电池的使用,锂离子如同一辆公交车,携带着作为乘客的电荷们,不断地在两极间往返,完成充放电的功能。而隔膜的作用就是阻隔正负极,防止短路的发生。

这种四位一体的设计,给锂离子电池带来了巨大的成功,但却也在多个方面埋下了隐患。

首先,电池内部的电解液含有大量有机物,比如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯。这些家伙一个个都自带燃爆属性,脸上写着“远离火源”四个大字。

此外,一块电池的正负极一旦短路,就会大量发热,甚至产生火花。不少人小时候可能做过这样的实验:拿铁丝把一节电池的正负极连起来,铁丝会变烫,甚至可以拿来切泡沫,就是这么个原理。

既然短路这么危险,人们自然就想到要用个东西把正负极隔起来,于是就引入了隔膜。

将电池正负极短路,会产生大量热量,甚至可以自制泡沫切割器,图片来源:小强科普

然而,现代电池追求小体积,为了保证能量供给,正负极和电解液都不能少,那么就只有去压榨“不那么重要”的隔膜体积了。于是,电池隔膜被“削减”地越来越薄,主流的锂离子电池隔膜厚度仅有20微米左右。也就是说,两片隔膜叠起来的厚度,刚好接近一根头发的直径

这层薄膜一旦破损,问题就会很严重。2016年,三星Note 7电池火灾就是因为隔膜太薄,容易被一些焊接毛刺坏,从而导致电池短路引发爆炸。听起来,这些电池算是受了“工伤”了。

即便没有这些焊接毛造成的“工伤”,电池本身也暗藏着刺穿隔膜的隐患,这类现象叫做“枝晶”。

枝晶这个问题,算是一种写在锂电池“基因”里的病。因为动力学等因素,锂电池在使用过程中,电极的表面会形成一些“小毛刺”,这些小毛刺就叫做”枝晶“。而且枝晶会越长越大,最终就会穿透隔膜,造成短路。

锂枝晶的微观照片,图片来源:参考文献[2]

枝晶这种只有几微米的小家伙,曾经搞垮了一家电池领域的大公司。

1970年代后期,有一种使用金属锂作为电极的电池,可以在相同重量下,储存比其他电池更多的电能,因而备受青睐。当时“大哥大”手机就是使用这种电池。持有这种技术的是一家名叫Moli Energy的加拿大公司。然而,这种电池问世不到半年,因枝晶问题发生了多起爆炸事故,被全球召回。盛极一时的Moli公司,从此一蹶不振,最终以被一家日本公司收购,草草离场。

超薄的隔膜、可燃的电解液、暗流涌动的枝晶——整个电池就像是把“火药桶”和“打火机”关在一个小屋子里,然后用一层“保鲜膜”隔开,想想都很惊心动魄。

如何解决电池的安全问题?

找到电池隐患的主要源头,科学家们就开始着手解决电池的安全问题了。比如,著名的华人科学家、斯坦福大学崔屹教授,率领团队分别从隔膜、电解液、枝晶的角度入手,做了三项有趣的工作。

著名纳米科学家崔屹教授,图片来源:Ustcif.com

首先是隔膜。普通的电池隔膜大多是高分子或者纤维素材料(还真有点像保鲜膜),比较软,容易破,受热也会融化。既然弱,那就给它增强下吧。

崔屹团队就提出,在隔膜中间加一层二氧化硅纳米颗粒。这些纳米级的二氧化硅强度比较高,至少枝晶是刺不穿的,而且还耐高温。如此一来,在“火药桶”和“打火机”之间,二氧化硅隔膜的存在如同建起了一道“石墙”。

通过在隔膜之中插入一层二氧化硅纳米颗粒,可有效组织枝晶刺穿隔膜,图c是这种夹心结构侧视图,图d是二氧化硅纳米颗粒的微观形貌。图片来源:参考文献[3] ,翻译:圆的方块。

再有就是电解液。电解液可燃,那就想办法让它烧不起来吧。

于是,他们用特殊纺丝的方法做了一批中空的纤维,然后将阻燃剂密封在这些纤维内部,再用这些纤维编制成隔膜。

这样一来,不仅能很好地隔开正负极,一旦发生起火,纤维的外壳受热融化,就会释放出里面的阻燃剂,从而瞬间阻止燃烧蔓延。这相当于给“火药桶”配了个“灭火器”。

中空纤维在高温时融化,释放出里面的阻燃剂(图AB中的绿色部分)。拿着火焰枪喷射,这种隔膜在0.7s内也会停止燃烧。图片来源:参考文献[4] ,翻译:圆的方块。

最后就是枝晶问题。你可以把枝晶想象成一个生长的小树,随着电池运行,小树会越长越大,那就干脆把它扼杀在萌芽里吧!

崔屹团队采用的方法是在锂电池电极上盖一层球形碳壳。这些半球形的碳薄壳覆盖在电池电极的表面,于是枝晶就长不起来了。这样,就在“打火机”上盖了个锅盖。

图cd中电极表面十分整洁,因为通过覆盖一层碳壳保护,可以有效防止枝晶的生长,而没有保护的图ef中电极,表面布满了针状的枝晶,图片来源:参考文献[5],翻译:圆的方块。

建石墙配灭火器盖锅盖,这些从微观层面所进行的材料设计,确实都能够极大提升电池的寿命和安全性。

不过,这些先进的理念,还基本处于实验室阶段。若要切实改变我们身边的这一块块电池,可能尚需时日。

现在呢,为了防止电池变“炸弹”,我们能做的就是防患于未然——避免手机、电脑过热,电动车要经常注意保养,不购买和使用劣质充电器等等

其实不论是电池防爆,抑或其他技术,都是在不断地发现问题和解决问题的过程中得以提高和完善。我们需要做的就是兵来将挡、水来土掩,通过日积月累的改进,让科学技术更多的造福于人类。(编辑:小柒)

参考文献: 

  1. Science Advances, 2018, 4 (6), eaas9820.
  2. Chemical Society Reviews, 2013, 42(23), 9011-9034.
  3. Advanced Materials, 2017, 29(4),1603987.
  4. Science advances, 2017, 3(1), e1601978.
  5. Nature nanotechnology, 2014, 9(8), 618.

热门评论

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全部评论(30)
  • 1楼
    2018-07-03 13:13 神秘进化记录

    真希望有生之年能看到锂电池被取代。

    [10] 评论
  • 2楼
    2018-07-03 13:19 天降龙虾

    那么,在不充电的情况下,长期静置的锂电池是不会燃烧或爆炸的吧?????

    [0] 评论
  • 3楼
    2018-07-03 14:38 在雨夜

    那些廉价的国产移动电源呢?也就是所谓的充电宝······

    会不会因为工艺无法做到太薄反而安全?

    [1] 评论
  • 4楼
    2018-07-03 16:00 蜀黍有点怪
    引用@在雨夜 的话:那些廉价的国产移动电源呢?也就是所谓的充电宝······会不会因为工艺无法做到太薄反而安全?

    不存在这种可能。本来写了解释文,竟然无法发出……

    [0] 评论
  • 5楼
    2018-07-03 16:46 5美金

    难怪leader们都用special的。

    [0] 评论
  • 6楼
    2018-07-03 16:50 企鹅骑士队长
    引用@在雨夜 的话:那些廉价的国产移动电源呢?也就是所谓的充电宝······会不会因为工艺无法做到太薄反而安全?

    大多数充电宝充放电速度都是非常慢的,所以热量不积累,反而安全。

    [0] 评论
  • 7楼
    2018-07-03 17:42 Karlson

    所以,不断的有人提醒,充电时不用手♥机,用手♥机时不充电。

    实际上我也做不到,工作的时候,总是把充电线擦上放在手边。甚至晚上睡觉还放在枕头边,想想都是非常危险的事情。不过一般不是快速充电,手♥机又没有塞在枕头下这样散热严重不好的地方的话,一般是不会有什么问题的。

    引用@天降龙虾 的话:那么,在不充电的情况下,长期静置的锂电池。。。?????


    不充电,还需要不快速放电。如短路这样的,是极容易导致温度骤然升高,从而导致爆♥炸的。

    引用@在雨夜 的话:那些廉价的囯产移动电源呢?也就是所谓的充电宝······会不会因为工艺无法做到太薄反而安全?


    廉价锂电池,反而要担心工艺达不到要求,如隔膜材料不好、焊接不好刺穿隔膜、枝晶生长太快导致出现问题。所以不建议使用年龄太大的电池(移动电源)。

    [0] 评论
  • 8楼
    2018-07-03 18:02 combok

    被.phone.炸.残.会.有.人.养.你.一.辈.子.有.什.么.好.担.心.的.

    [1] 评论
  • 9楼
    2018-07-03 20:17 毛骡 金属材料学博士
    引用@神秘进化记录 的话:真希望有生之年能看到锂电池被取代。

    目前理论上能用的只有燃料电池了……这玩意有点贵。要么就是超级电容,那玩意比锂电还危险。note7充其量只是个燃~烧~蛋,超级电容就是真的会boom。

    [0] 评论
  • 10楼
    2018-07-03 20:18 毛骡 金属材料学博士
    引用@天降龙虾 的话:那么,在不充电的情况下,长期静置的锂电池是不会燃烧或爆炸的吧?????

    锂电还好啦,这玩意自然放电,一个月1~3%,很快就没了。

    [0] 评论
  • 11楼
    2018-07-04 03:04 地球上的裸猿

    这层薄膜一旦破损,问题就会很严重。2016年,三星Note 7电池火灾就是因为隔膜太薄,容易被一些焊接毛刺坏,从而导致电池短路引发爆炸。

    [0] 评论
  • 12楼
    2018-07-04 09:49 伽岚

    为什么不弄个过热报警呢

    [0] 评论
  • 13楼
    2018-07-04 11:16 天降龙虾
    引用@毛骡 的话:锂电还好啦,这玩意自然放电,一个月1~3%,很快就没了。

    那就好。。。。

    [0] 评论
  • 14楼
    2018-07-04 11:38 毛骡 金属材料学博士
    引用@天降龙虾 的话:那就好。。。。

    但是锂电跟别的电池最大的不同在于,如果锂电完全放空,那么锂电就废了。

    [0] 评论
  • 15楼
    2018-07-04 14:12 天降龙虾
    引用@毛骡 的话:但是锂电跟别的电池最大的不同在于,如果锂电完全放空,那么锂电就废了。

    没关系,反正也不打算再用了。。

    [0] 评论
  • 16楼
    2018-07-04 14:27 在雨夜
    引用@毛骡 的话:锂电还好啦,这玩意自然放电,一个月1~3%,很快就没了。

    电脑一直插着电源使用,是不是也很危险???

    [0] 评论
  • 17楼
    2018-07-04 15:59 汉尼拔wang

    本aa来aa吹xx电aa脑aa的aa风xx扇aa现aa在aa也xx吹xx手aa机,效aa果aa不aa错,一aa会aa儿aa手aa机aa就aa冰xx凉......

    [0] 评论
  • 18楼
    2018-07-05 20:10 二氧化铀

    [blockquote]引用@神秘进化记录 的话: 真希望有生之年能看到锂电池被取代。[/blockquote] 要是钚热电池岂不是全家都死光了?

    [0] 评论
  • 19楼
    2018-07-06 07:45 我的电脑_23792
    引用@Karlson 的话:所以,不断的有人提醒,充电时不用手♥机,用手♥机时不充电。实际上我也做不到,工作的时候,总是把充电线

    其实只要不做一体机就ok了。

    [0] 评论
  • 20楼
    2018-07-06 15:09 神秘进化记录
    引用@二氧化铀 的话:[blockquote]引用@神秘进化记录 的话: 真希望有生之年能看到锂电池被取代。[/blockquote] 要是钚热电池岂不是全家都死光了?

    同位素电池一直有用于心脏起搏器吧?也没听说谁被炸死了,至于裂变·····反正也不可能做出这么小的反应堆。

    [0] 评论
  • 21楼
    2018-07-06 18:09 lunber

    GTA取材系列?

    [0] 评论
  • 22楼
    2018-07-06 22:11 游侠Crusader
    引用@神秘进化记录 的话:真希望有生之年能看到锂电池被取代。

    目前比较有希望的还是超级电容吧


    [0] 评论
  • 23楼
    2018-07-12 14:10 Twinwheels
    引用@天降龙虾 的话:那么,在不充电的情况下,长期静置的锂电池是不会燃烧或爆炸的吧?????

    除非质量有问题隔膜有缺陷.

    [0] 评论
  • 24楼
    2018-07-15 08:08 Clae Dogel

    [blockquote]引用@神秘进化记录 的话: 真希望有生之年能看到锂电池被取代。[/blockquote] 现在好像有钒电池和碳纳米电池

    [0] 评论
  • 25楼
    2018-07-15 08:08 Clae Dogel

    [blockquote]引用@神秘进化记录 的话: 真希望有生之年能看到锂电池被取代。[/blockquote] 现在好像有钒电池和碳纳米电池

    [0] 评论
  • 26楼
    2018-07-15 08:08 Clae Dogel

    [blockquote]引用@神秘进化记录 的话: 真希望有生之年能看到锂电池被取代。[/blockquote] 现在好像有钒电池和碳纳米电池

    [0] 评论
  • 27楼
    2018-07-15 08:08 Clae Dogel

    [blockquote]引用@神秘进化记录 的话: 真希望有生之年能看到锂电池被取代。[/blockquote] 现在好像有钒电池和碳纳米电池

    [0] 评论
  • 28楼
    2018-07-16 04:55 神秘进化记录
    引用@Clae Dogel 的话:[blockquote]引用@神秘进化记录 的话: 真希望有生之年能看到锂电池被取代。[/blockquote] 现在好像有钒电池和碳纳米电池

    商业化量产遥遥无期

    [0] 评论
  • 29楼
    2018-07-16 15:20 睾圆圆

    这多半是三元锂电池的问题吧?磷酸铁锂电池应该没这个问题。

    [0] 评论
  • 30楼
    2018-07-16 23:53 巴比伦的彼方 卫生事业管理专业,geek笑点低管理员
    引用@睾圆圆 的话:这多半是三元锂电池的问题吧?磷酸铁锂电池应该没这个问题。

    磷酸铁锂能量密度不行

    [0] 评论

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