雖然我們處在一個科技大爆發,有各種電子産品改善生活的時代裏,但是過于依賴電子産品而不加篩選和防備卻並不是好事,锂離子電池便是一個活生生的例子——用好了,它能很好地改善我們的生活環境,擴大我們的活動範圍和工作效率,反之,它也可能會帶來財産和損失和安全威脅。

作爲移動辦公和移動娛樂的主力軍,筆記本電腦的電池也同樣是它重要的組成部分,而作爲一種高效而又持久的電池,锂離子電池顯然就成了當仁不讓的最佳選擇了,從誕生到今天的主流電池選擇,它都經曆了怎樣的曆程和小故事,又有著怎樣的風險,我們就來聊一聊吧。

锂離子電池的前世

锂离子电池(Lithium-ion battery)是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。目前用作锂离子电池的正极材料主要常见的有:锂钴氧化物(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、镍酸锂(LiNiO2)及磷酸锂铁(LiFePO4)。

最早提出锂離子電池概念的,是上世紀七十年代在埃克森工作,而現在在賓漢頓大學工作的M.S.Whittingham。他采用硫化钛作爲正極材料,金屬锂作爲負極材料,制成了首個锂離子電池,而安全的風險在這個時候就已經與锂離子電池如影相隨了——單單是在正常大氣條件下,只要有水和氧的存在,锂的火烈性格就會展露無遺,並會隨之發生燃燒化學反應。

可是,也正因爲有高度反應性,锂元素作爲電池的價值才會被難以忽視——因而M.S.Whittingham最終把研究方向轉移到了,尋求用锂化合物代替金屬锂來釋放锂離子上。

之后,顺着这条研究路线,1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现了锂离子能够嵌入石墨的特性——这一过程虽然同燃烧反应一样火烈热切,但却是可逆的。理论逐渐成熟的锂离子电池,其安全隐患也是在这时,逐渐受到人们关注的。

抱著試一試的態度,實驗室的小夥伴們開始嘗試利用锂離子嵌入石墨的特性,制作充電電池,最終,首個可用的锂離子石墨電極在貝爾實驗室試制成功了——這在人類電池史上可是濃重的一筆。

時光飛逝,轉眼間就到了1985年,這一年,日本旭化成的吉野彰運用钴酸锂開發出了電池陰極,並徹底消除了純金屬锂在電池結構中的存在,從而完成了世界上最初商業化可行的含锂堿性锂離子電池——1991年商用锂離子電池是由索尼成功開發,也就毫無意外了——它的實用化,使人們的移動電話、筆記本電腦等便攜式電子設備的重量和體積大大減小,並大大延長了可持續時間(對了,锂離子電池中還不含有重金屬镉哦,與鎳镉電池相比,它大大減少了對環境的汙染)。

锂離子電池的商業化受到了人們的一致推崇——截至2016年,全球锂離子電池産能爲28千兆瓦時,光中國就貢獻了16.4億千瓦時。

锂离子电池用途广泛,小到手机,大到航天

▲锂離子電池用途廣泛,小到手機,大到航天。

不過,時至今日,使用锂離子卻仍然有無可避免的風險存在。

今生——仍舊有安全風險

雖然,實驗室的小夥伴們成功地把純粹的锂金屬從锂離子電池當中剔除了出去,但新的電池架構仍然難以擺脫锂元素那火烈熱切的性格——主要原因之一是,锂電池采用的钴酸锂正極材料難以應用在耐受穿刺、沖撞和高溫、低溫等條件等環境,同時,钴酸锂電池也無法達到快速充電與完全避免二次汙染等問題,因而其安全問題仍然會不時地重回公衆的視野——除罷大大小小有驚無險的電池爆炸事件外,六月的時候,一名CEO還因此失去了生命。

正因爲如此,锂離子電池的安全問題也一直是廠商和政府重視的課題之一,現今的廠商通常都會有設計保護電路,以防止電池過度充電或過度放電,從而發生爆炸等危險。

往往锂離子電池的過充電、短路、熱沖擊和機械沖擊等均容易對電池的安全産生影響,因而,一般情況下,锂離子電池除了要滿足容量、內阻和高低溫充放電性能的要求外,還需要通過各種安全性能測試,才能上市銷售。不過上市後出現問題的緊急召回也不時會有發生——也是不久前,因部分筆記本電腦的電池存在安全隱患,市場監管總局就要求戴爾和三星召回一批有問題的筆記本電池。

根據公布的情況來看,三星將召回部分2012年12月至2013年7月期間制造的三星筆記本電腦配備的電池約9000個,而戴爾則將召回部分2012年11月到2014年4月期間制造的戴爾筆記本電腦電池約數量爲28000個。

近20年來,各國産學界一直都在投入無數的研發人力與資源,去尋找能夠取代或解決LiCoO2安全問題的新材料——電池一直都這麽危險嗎?

那怎麽辦呢?好怕怕

是的,電池一直都這麽危險——之所以你會對它産生“人畜無害”的印象,往往是因爲廠商的安全措施做的足夠豐富,使它即使出問題也很難傷到用戶——對于生産廠商而言,安全性問題能在設計環節就解決自然是最好的。

由于锂離子電池存在較多的安全隱患,因而,電池在設計時就必須采用一些特殊的措施以確保安全,目前采用較多的結構設計是采用可熱封閉的隔膜、串聯正溫度系數電阻以及采用防爆蓋帽。

熱封閉隔膜

當電池由于針刺或擠壓等造成很大的電流通過電池,造成電池溫度上升時,電池內部的多孔隔膜就會迅速軟化,由于電池卷芯較緊,受到擠壓的隔膜就會因其多孔結構的相互粘連,而形成一種幾乎完全封閉的結構,並停止離子的傳輸並終止化學反應,達到電流被迅速切斷的目的。安全性能達標的電池,往往會在這個環節就阻止溫度的進一步上升,並使電池不再發生危險。等于爲電池加個保護膜,電池被戳破,可以迅速填補並斷電,防止爆炸。

但不達標的産品,就有可能在這一步因爲隔膜在升溫時沒有形成較好的封閉結構,或者受力不均勻引發的收縮變形,從而造成電池的內部由于短路而發生危險。

正溫度系數電阻(PTC)

另外,利用電阻升溫阻值升高的原理所設計的保險措施,也同樣十分有效——當電池發生過充或者外部短路時,大量的電流會使電池所串聯的正溫度系數電阻升溫,從而導致電阻發熱、升高阻值,並因此降低流過電池的電流,以保障電池的安全。相當于增加一個電阻守衛,過充或短路→電流大→發熱→電阻提高→降低電流→保證安全。

安全閥

除了以上两种比较常规的解决办法外,还有一种脑洞大开的安全措施也同样是现今厂商所乐于使用的。电池过充后,受热后电解液汽化和电解液分解产生气体,都有可能造成电池内部气压的骤然增加,从而导致电池的爆炸。防爆阀或防爆膜正是为此而设计的,它们会及时破裂,释放电池的内压,从而保障用户的财产和人身安全——安全閥知道电池过充“生气了”,先引爆自己让电池“泄气”,保证安全。

提高電池安全的化學方法

此外,可聚合的添加剂、 电压敏感隔膜、氧化还原电对、阻燃添加剂等化学方法也同样是厂商所经常采用的安全措施。

我們自己可以做什麽?

不過,畢竟像筆記本這樣的電子産品,是存在不合格的漏網之魚的,那麽,作爲消費者,我們都有什麽辦法來防止危險的發生呢?

第一,充电时不得高于最大充电电压,放电时不得低于最小工作电压。无论任何时间锂离子电池都必须保持最小工作电压以上, 低电压的过放或自放电反应会导致锂离子活性物质分解破坏,并且不一定可以还原——换句话说,最好不要把变压器混用。

第二,锂離子電池任何形式的過充都可能會導致電池性能受到嚴重破壞,甚至爆炸,因而在充電過程中要盡量避免對電池産生過充。

第三,避免高溫,有縮短壽命、引發爆炸的風險——曾經推薦筆記本電腦拔除锂離子電池的原因就是這個,以免受到電腦産熱的影響(不過現在筆記本電腦電池基本都內置在了機身內,這一做法自然也就不具有可行性了),但是,高溫熱源還是要遠離的,像冬天供暖的“小太陽”,顯然就是筆記本應該遠離的對象。

第四,避免凍結,如果外出要去氣候比較寒冷的地方,如果自己的筆記本或是其它電子産品不是有特殊針對環境的保護的話,考慮到可能會有産品質量的問題,還是不要帶了(不過多數锂離子電池電解質溶液的冰點在-40℃,而且産品質量有保障的話,還是不會有問題的)。

總而言之,雖然我們處在一個科技大爆發,有各種電子産品改善生活的時代裏,但是過于依賴電子産品而不加篩選和防備卻並不是好事,锂離子電池便是一個活生生的例子——用好了,它能很好地改善我們的生活環境,擴大我們的活動範圍和工作效率,反之,它也可能會帶來財産和損失和安全威脅——沒有人想發生這一切,所以,小心點總是沒有錯滴。

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[責任編輯:陳語]

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