一向因其能量高，放電穩(wěn)定而受到人們的青睞，也因此確立了其在通訊、電子設(shè)備領(lǐng)域的霸主地位。然而，近兩年來，卻先后發(fā)生多起手機(jī)、筆記本電腦爆炸事件，罪魁禍?zhǔn)渍卿囯姵亍＿@個“診斷結(jié)果”，把鋰電池推向了爭論的風(fēng)口浪尖。好好的電池為啥突然會爆炸，甚至鬧出人命來呢？是使用不當(dāng)還是電池本身有問題？無論怎樣，“鋰電池”似乎已經(jīng)被冠上了“疑似炸彈”的惡名，我們到底該如何對待它呢？
爆炸要具備哪些條件
為了弄清電池爆炸的原因，我們有必要先弄清楚——到底什么是“爆炸”？
通常意義上的爆炸，一般是指火藥、瓦斯等的爆炸，人們對爆炸的印象總是轟然巨響，火光沖天。北京理工大學(xué)教授馮順山長期從事彈藥研究，他告訴記者，“爆炸是化學(xué)反應(yīng)在很短時間內(nèi)突然發(fā)生，并瞬間釋放出大量能量的過程。”
容易引起爆炸的化學(xué)元素包括碳、氮、氧、氫、硫等，但是，僅有這些元素還不夠，如果是正常的舒緩的反應(yīng)過程，不足以構(gòu)成爆炸。據(jù)專家介紹，爆炸必須要具備三個條件：反應(yīng)過程能放出大量的熱，反應(yīng)速度非常快，并且要產(chǎn)生大量的氣體產(chǎn)物。比如，當(dāng)炸藥受到足夠大的外能作用，如遭遇了猛烈撞擊或者是用雷管引爆時，就會在短時間內(nèi)突然發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫、高壓氣體，形成爆炸。
說起炸藥，人們總會立即想起TNT這個名字，這是一種烈性炸藥，一種帶苯環(huán)的有機(jī)化合物，學(xué)名叫做三硝基甲苯，通常狀態(tài)下，TNT呈黃色粉末或魚鱗片狀。每公斤TNT爆炸可產(chǎn)生420萬焦耳的能量，這能量足以毀掉一座橋梁或是一棟房子。
鋰電池具備了構(gòu)成爆炸的物質(zhì)條件嗎
對照形成爆炸所需的各種要素，來分析一下鋰電池內(nèi)部的成分與反應(yīng)過程。鋰電池內(nèi)部到底包含哪些化學(xué)物質(zhì)呢？它們足以形成爆炸嗎？
中國泰爾實驗室安全試驗部的專家劉偉介紹說，“通常人們所說的手機(jī)鋰離子電池也叫電池組或電池包，它主要由電芯和保護(hù)電路組成，其中電芯由正負(fù)電極、電解質(zhì)、隔膜、外殼組成。”
目前廣泛使用的正極材料是鈷酸鋰，鈷酸鋰在一定條件下會發(fā)生分解，分離出鋰離子，負(fù)極材料是石墨，分子結(jié)構(gòu)中有許多小空間，也就是鋰離子的儲藏格。電解液一般為混合的有機(jī)溶劑，其中常用的電解質(zhì)是一種叫六氟磷酸鋰的鹽。至于隔離膜的功能,主要是隔開正負(fù)極，防止兩極接觸引發(fā)短路，目前隔離膜的材料一般選用聚烯烴類的多孔高分子薄膜，薄膜上的微孔是為了讓鋰離子能夠自由通過。當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，電池正極上的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極，嵌入到碳層的微孔中，負(fù)極嵌入的鋰離子越多，電池的充電容量越高。同樣道理，當(dāng)對電池進(jìn)行放電時，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。這樣就完成了一個鋰離子電池的充放電過程。
從電池的內(nèi)部元素來說，已經(jīng)包含了碳、氧及容易燃燒的電解質(zhì)等，這些物質(zhì)被密封在一個小的空間里，如果具備了一定的條件，完全可能因化學(xué)反應(yīng)而放出巨大的熱量與氣體，就有可能會爆炸。
但并不是說，具備了這些要素，就一定會發(fā)生爆炸。哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授、鋰電池研究專家史鵬飛告訴記者，“只有在一定的環(huán)境條件下，鋰離子、電解液、隔離膜之間會發(fā)生相互作用，出現(xiàn)復(fù)雜的變化情況，直至導(dǎo)致爆炸。”
高溫為何可能帶來鋰電池爆炸
那么可以進(jìn)一步追問，到底需要什么樣的環(huán)境條件，電池內(nèi)部才出現(xiàn)異常情況呢？記者專門請教了中國科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室的孫金華教授。孫教授介紹說，“如果充電方法不當(dāng)，鋰電池短時間內(nèi)會產(chǎn)生大量的熱量，就會爆炸。”
針對孫金華的解釋，劉偉進(jìn)一步補充介紹說，“處于充電狀態(tài)的鋰電池正極材料，比如鈷酸鋰或是錳酸鋰，狀態(tài)不穩(wěn)定，會發(fā)生分解，高溫下會釋放出氧氣。放出的氧氣與電解液中的有機(jī)溶劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生許多熱量。另外，在一定的電壓作用下，溶劑及電解液本身也可能會發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱，導(dǎo)致安全性問題。”
這些熱量是怎么產(chǎn)生的？電池內(nèi)部到底發(fā)生了怎樣的變化？我們用肉眼是看不見的。但研究者利用一定的技術(shù)手段，卻可以清晰地“看到”電池內(nèi)部的變化過程。中國科技大學(xué)的王青松博士利用先進(jìn)的微量量熱儀對鋰電池的熱反應(yīng)進(jìn)行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池的正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、電解液等在正常使用和濫用情況下都會發(fā)生放熱反應(yīng)。
孫金華說，“在放出熱量的同時，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體使體系內(nèi)部壓力不斷增大，引起電池的熱膨脹，在安全措施失效的情況下，就潛含爆炸的危險。”
另外，手機(jī)長時間通話也會造成電池發(fā)熱，同時也造成內(nèi)部電路及聽筒發(fā)熱，如果恰好使用的是偽劣電池，則極易引發(fā)爆炸。有人會在手機(jī)充電時打電話，充電時手機(jī)電池本來就會產(chǎn)生熱量，如果我們再繼續(xù)用它打電話，那么熱量就會快速提升，很容易引發(fā)危險。
晶體劃破隔離膜導(dǎo)致內(nèi)部短路也能引爆
電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)是一個緩慢的過程，由此導(dǎo)致的熱量積累也是一個逐步升高的過程。而在另一種情況下，熱量會瞬間突然增加，那就是短路。
正常情況下，電池內(nèi)部的隔離膜將正負(fù)兩極隔開，是不會形成短路的，不過，在過度充電的情況下，隔離膜有可能會被劃破，兩極就可能會接觸。
正負(fù)極之間的隔離膜是怎樣被劃破的呢？劉偉介紹說，“在過度充電的情況下，正極的鋰離子越來越少，都跑到負(fù)極去了，而負(fù)極的鋰離子則越來越多。到了一定程度時，負(fù)極的鋰離子會溢出，生成樹枝狀的晶體，晶體在電池內(nèi)部生長蔓延，然后劃破了隔離膜，直至與負(fù)極接觸，于是電池內(nèi)部出現(xiàn)了短路。”這種短路因為是在電池內(nèi)發(fā)生的，因此可以叫內(nèi)部短路。這時，瞬間釋放出大量的熱，電解液沸騰了，“轟”的一聲就脹破了電池外殼。
“擊穿”現(xiàn)象不需導(dǎo)體便可導(dǎo)致短路
晶體劃破了隔離膜，實際上是扮演了“導(dǎo)體”的角色，連通了正負(fù)極。其實，即使中間沒有導(dǎo)體，在過度充電的情況下，正負(fù)兩極也可能會直接接觸，這種情況叫“擊穿”，同樣有可能會發(fā)生短路。
這里需要對過度充電的概念作一下說明。所謂“過度充電”，有人認(rèn)為就是超長時間的充電，實際上這是一種誤解。孫金華說，“過充并不是指充電時間過長了，而是指電壓超過了鋰電池正常工作的范圍標(biāo)準(zhǔn)。”一般來說，鋰離子電池的工作電壓是在3.7伏至4.2伏之間，在充電時，兩極的電壓會越來越高，如果到了4.2伏還繼續(xù)充電，那就是過度充電了。如果電壓高到一定的程度，就會形成“擊穿”。
據(jù)專家介紹，當(dāng)兩極的電壓足夠高時，在強大的電場作用下，中間的絕緣物質(zhì)將失去其絕緣性能，成為導(dǎo)體，從而連接正負(fù)兩極，這就是電介質(zhì)擊穿。“這其實不難理解，即使是在空氣中有兩個電極，如果電壓很大的話，那也可能會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，肉眼看上去就是形成了電火花。”因此，當(dāng)鋰電池兩極的電壓大到一定程度時，正負(fù)兩極完全可能直接相連，這其實是一種特殊的短路現(xiàn)象。
金屬屑連通正負(fù)極導(dǎo)致短路
在過度充電或放電的情況下，可能引發(fā)熱量積累或?qū)е露搪罚敲矗绻裁匆膊蛔觯褪窃谡７胖玫那闆r下，鋰電池也會發(fā)生爆炸嗎？
答案是肯定的，危險同樣有可能會發(fā)生，日本這家公司的筆記本燃燒就是一個例子。當(dāng)這家公司的電池發(fā)生爆炸之后，電池生產(chǎn)廠家起初一直保持沉默，三緘其口，后來在媒體的一再要求下，才不得不出面作出回應(yīng)。廠家最后給出的解釋是，因為電池的電芯中含有金屬屑，結(jié)果引起了電池外部短路，所以才引發(fā)了爆炸。
生產(chǎn)商的解釋是否合理呢？電池本身在不充電、不放電的情況下也會發(fā)生短路?孫金華分析說，“如果電芯里含有金屬屑，完全可能引發(fā)短路，即使在平常狀態(tài)下，也可能導(dǎo)致正負(fù)極連接上。”
可見，電池的制作工藝也必須高度嚴(yán)格。如果制造工藝粗糙，裝配過程中出現(xiàn)的一些金屬毛刺、隔膜皺褶等均可留下隱患，一個不巧，就會讓正負(fù)兩極來個親密接觸。
給電池預(yù)留一個“出氣口”
針對電池內(nèi)壓增大的問題，鋰電池必須要有一種緩解內(nèi)壓的安全防范裝置，這就需要提到泄壓閥。
“泄壓閥是指在電池的外殼上設(shè)置的一塊比較薄的部分，它能夠有效地預(yù)防電池的意外爆裂，這就像高壓鍋的減壓閥一樣。”劉偉介紹道。
如果泄壓閥設(shè)計合理，那么當(dāng)內(nèi)部氣體膨脹時，泄壓閥會適度打開，氣體可以從泄壓閥順利排出，同時帶出部分能量。如果泄壓閥設(shè)計不合理，當(dāng)氣壓增大時就不會打開，那么內(nèi)部壓力逐漸增大，危險就逐漸增加，隨時會發(fā)生爆炸。
需要注意的是，泄壓閥并不是越“靈敏”越好，如果它很容易就打開的話，外面的空氣就會進(jìn)來。因為內(nèi)部的電解液沸點、熔點很低，很容易與空氣發(fā)生反應(yīng)，這時，同樣會出現(xiàn)燃燒或者爆炸。
“保險絲”可以有效地防止短路
在日常生活中，有的手機(jī)已經(jīng)使用了很長時間，電池破損了還在使用，還有些年輕人喜歡將各種金屬掛件、鑰匙等與手機(jī)放在一起，豈不知這樣就留下了短路的隱患。另一種情況下，如果電池受到了碰撞或沖擊，那也可能碰巧造成電池內(nèi)部短路，同樣會發(fā)生爆炸。
短路問題非常令人頭痛，所以電池內(nèi)一定需要保護(hù)電路。保護(hù)電路相當(dāng)于日常電路中的保險絲。劉偉說，“一個合格的保護(hù)電路應(yīng)該具備這樣的功能：當(dāng)檢測到充電電壓過高時，或當(dāng)電池充滿電時，可以切斷充電回路。當(dāng)檢測到電流或充電電流過大時，可以限制電流或切斷電流。”
對手機(jī)和筆記本等使用鋰電池的產(chǎn)品，其內(nèi)部也應(yīng)有充放電限制電路。例如YD/T 1591《移動通信手持機(jī)充電器及接口技術(shù)要求和測試方法》中規(guī)定，“手機(jī)應(yīng)限制充電電流在規(guī)定的范圍內(nèi)，當(dāng)手機(jī)檢測到充電電壓過高，應(yīng)切斷充電回路”。據(jù)了解，目前一些電池廠家正在研究多防護(hù)電路的鋰電池，增加電池的安全系數(shù)。
新一代鋰電池爆炸風(fēng)險大大降低
由于液態(tài)電解質(zhì)容易放出熱量，一些電池生產(chǎn)廠家開始研究其他的電解質(zhì)來代替它。目前已經(jīng)研制成功的是聚合物鋰離子電池。
與鋰離子電池使用的液體電解質(zhì)不同，聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替，這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前的產(chǎn)品大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。
由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì)，聚合物鋰離子電池不會發(fā)生漏液，燃燒爆炸等風(fēng)險也大大降低。劉偉介紹說，“聚合物鋰離子電池還可以采用高分子做正極材料，其能量將會比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50%以上。”此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比鋰離子電池有所提高。基于以上優(yōu)點，聚合物鋰離子電池被譽為下一代鋰離子電池。
（編輯：全球電池網(wǎng)）
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