手机电池为什么会爆炸?电池安全使用的秘诀?锂电池的代替者是石墨烯吗?

2021-09-17 17:01:22
来源:中国化工报

手机电池设计存在缺陷,在使用、充电过程中可能会发生自燃。

其实,因为电池原因造成的产品召回事件不止一次。2006年,戴尔公司召回了400万台存在电池过热问题的笔记本电脑。2013年,美国波音公司制造的波音787客机由于飞机上的锂电池存在容易过热的问题被迫暂停飞行。那么,电池为什么会发生爆炸呢?平时使用要注意些什么?有没有更好的替代产品?让我们一探究竟。

阴阳两极不能太亲密

上世纪60年代的石油危机迫使人们去寻找新的替代能源, 同时军事、航空、医药等领域也对电源提出新的要求。经科学家研究发现,在所有金属中,锂比重很小、电极电势极低, 它是能量密度很大的金属, 锂电池体系理论上能获得最大的能量密度。现在大多数的智能手机基本都采用锂电池了。

锂电池可以分为锂一次电池(锂原电池)和锂二次电池(充电电池)。锂二次电池能够实现充放电的循环使用,因此可以重复利用并且不会产生记忆效应。这样,每次充电不用等完全没电,可以实现即充即用,极为方便。

那么,电池是如何产生电能的呢?众所周知,电池由阳极、阴极和电解质构成。电池在产生电能时内部会发生化学反应。电池的阳极发生催化氧化反应, 阴极发生催化还原反应。电解质则隔开阴阳极并提供质子迁移通道。而锂电池之所以能够实现重复利用并且不产生记忆效应,主要是由于它除了能够实现阴阳极之间的氧化—还原以外,还可以实现基于电化学的嵌入/脱嵌反应。

在给手机充电时,锂离子会从阴极移动到阳极;在我们使用手机也就是释放电能时,锂离子则是从阳极移动到阴极,也就是会向相反方向移动。但是要知道,虽然电离子是不断移动的,但阴阳两极本身是绝对不能接触的。所以,一般电池厂商会在阴阳两极之间插入隔板保证安全。而一旦隔板出现问题,那爆炸的可能性就增大了。

在三星Note7此次爆炸案中,三星方面给出的解释就是:隔板有缺陷,电池阴阳两极触碰到一起,从而引发爆炸。

电池安全使用也有秘诀

大家在使用锂电池时还存在着一些误区,这些误区有的会对锂电池的使用寿命产生影响,有的则可能使锂电池发生爆炸。

相信不少人都听说过:新手机前3次充电要达12个小时以上,以激活电池。其实,这种说法是从镍氢电池延续下来的。镍氢电池放置一段时间后则进入休眠状态,此时容量低于正常值,导致使用时间缩短。但锂电池和镍氢电池的充放电特性有很大区别。锂电池很容易激活,只要经过3~5次正常的充放电循环就可激活电池,恢复正常容量。而且,由于锂电池本身的特性,决定了它几乎没有记忆效应。因此,现在大家在给新手机充电时,完全不需要充12小时之久。

也有人在给手机充电时,经常是把电源线一插就长时间不管了,因为都说现在电池和手机本身都有过充保护,充满电后会自动断掉,不会出现过度充电的情况。事实确实如此,正常情况下手机电池都具有过冲保护,我们不必担心过度充电的问题。但免不了部分电池制造商在生产过程中出现一些小差错,导致电池没有过充保护。普林斯顿大学的材料科学家Dan Steingart曾说:“电池就像一根橡皮筋。当你对电池进行充电时,就好像你在拉伸橡皮筋;当你使用电池时,就好像你在释放它。如果你将橡皮筋拉得太紧,它就会断裂。”

也有不少人热心传授“经验”:锂电池的寿命只有500次,超过这个次数,电池就“寿终正寝”了,为了延长电池的寿命,每次都在电池电量完全耗尽时才进行充电。然而,这样的使用习惯会对电池寿命产生极大影响。

首先,锂电池的寿命,指的不是充电的次数,而是一个充放电的周期。比如,一块锂电池在第一天只用了一半的电量,然后为它充满电。如果第二天依然如此,即用一半再充满,最后经过了两次充电,但这只能算作一个充电周期,而不是两个。因此,通常可能要经过数次充电才算完成一个周期。每完成一个充电周期,电量确实会减少一点,不过减少量微乎其微。

其次,尽量把电池的电量用完再充电,这种做法会对锂电池的寿命产生极大影响。这种做法其实只适用于镍氢电池,目的是避免记忆效应发生。然而,锂电池不适合过度放电。因为,过度放电会导致电压过低,以至于不能正常充电,甚至导致电池报废。

还有另一种说法:当电池即将没电时,将电池放到冰箱里冻一会,电池的电量就会增加。这种做法非但不会凑效,还会对电池寿命产生影响。事实上,锂电池是很娇气的,会受到“热”和“冷”的不良影响。室内温度对于锂电池来说是最佳的温度。电池在运行时由于能量转化原因,已经会产生热了,因此就不要在给它额外的热量。这也是为什么我们常会看到锂电池上写有禁止将电池置于火中的警告标语,因为锂电池温度过高也会引发爆炸。

同样,锂电池也是很怕冷的。你可能有过这样的经历:天气寒冷的时候,你在室外使用手机,发现手机电量蹭蹭地往下掉,刚刚还20%的电量,怎么几分钟手机就自动关机了?这是因为,锂电池在低温下会面临相当严重的功率损失。前面我们说过了,锂电池工作时,锂离子会在阴阳两极之间移动,而低温会让锂离子活性降低。换句话说,就是本来锂电池是有电的,但由于低温让锂离子“跑不动”了,就会让电池的可用电量下降:我空有一大堆货,奈何只能用驴拉呀。

当温度回升,锂离子活性恢复正常,之前“不能用”的那些电量也就恢复了。所以,去过寒冷地区拍摄的人应该知道这个小秘诀:相机经常用一会就没电了怎么办?你可以把电池捂在怀里,给它温暖,它就能恢复电量。

谁是锂电池的继承者

虽然锂电池仍然是目前民用领域最好的电池产品,但是,随着锂电池安全问题的出现,以及锂电池的能量密度已经接近极限,民众都在期待更好的电池产品问世。

石墨烯是目前所知道的最薄的材料。石墨烯作为单层石墨具有极大的比表面积,虽然和传统的石墨电极原理相同,但是,将石墨烯应用于电池领域,可以有效地提升电池的能量密度。这是因为石墨烯是单层片状结构,如果每片单层石墨都以杂乱无章的方式排列,则在单层石墨的两侧表面都可以结合锂离子,理论能量密度可以提高一倍。

目前科学家研制的锂-硫电池在性能和体积上可以媲美传统锂电池。锂-硫电池所使用的材料价格非常低廉,理论上的能量密度是锂离子电池的5倍。此外,在锂-硫电池中,一块纯金属锂片代替了多层石墨电极。这块锂片既是电极,也是锂离子的来源。电池放电时,锂片变薄;电池充电时,恢复原状。金属氧化物电极也被更廉价、更轻的硫所取代。硫吸附锂的能力更强,每个硫原子可以结合两个锂原子,同样有利于提高电池的能量密度。

而针对之前说到的锂电池怕冷问题,美国宾州州立大学一位教授的团队发明了一种“全气候电池”,能够在低于零摄氏度时进行“自加热”。这一过程并不需要外部加热设备的帮助,也不需要在电解质里添加特别的添加剂。“全气候电池”巧妙地对电池结构进行细微调整,在电池内部插入极薄镍片,使得电池在低温下迅速自加热,有效地提升电池温度。在发现电池温度上升到可用范围后,它又会自动停止加热,以免造成更多的能量损失。此项技术能将锂电池在-30℃下的功率提高10倍以上,同时不减弱电池在常温下的性能和寿命。这项技术已经通过了严格的检测,并在实现商业化。

关键词: 电池 爆炸 石墨烯 锂电池 电池 安全使用

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