手机爆炸，CEO惨死家中，锂电池因何化身“定时炸弹”？

作者：圆的方块

编辑：小柒

 

一个炎夏的晌午，一台手机正静静趟在主人枕边充电。

 

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，他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成说起了。

 

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。

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作者名片

排版：小爽

题图来源：http://tech.ifeng.com

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.

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