论手机电池的安全性

电池爆炸原理及预防论手机电池爆炸的原理及防范我最近非常关注手机的安全性，尤其是电池的安全性这个话题。这两年，国内外发生手机爆炸的这类事故比较多，包括许多知名品牌的手机都发生了爆炸的事故，其中大部分都是由手机电池引起的，有时候甚至出现致人死伤的后果。从专业的角度来看，发生爆炸的话，主要的原理是什么呢？目前在市场上看到最多的手机电池基本属于锂离子电池。手机电池经历了一个发展的过程，从一开始是镍铬电池，由于容量的问题，后来转换成镍氢电池，又因为同样的问题，现在基本上都转向了锂离子电池。锂离子电池有很多的优点，它的能量密度比较高，所以会做得比较轻巧，容量比较大，充、放电也比较快，还有是它没有像镍铬和镍氢的一些记忆效应，另外它对环境的元素损害也是最小的。应该说，锂离子电池是一个发展的方向。锂离子电池其实还分为两类，一类是我们通常充的锂离子电池，另外大家如果注意一下手机电池的话，还有些电池上面表明的是锂离子聚合物电池，应该说这个聚合物电池也是今后的一种发展方向，因为聚合物电池它会在安全性方面和性能方面会有比较大的提升。也就是说，其实我们的电池也是不断在演进，不断在向更安全，更环保的方向发展。手机锂离子电池发生爆炸，和真正的像炸弹或者这一类的东西不太一样。从原理上讲，它其实是一个物理过程，而不是化学过程。因为其中用的是锂离子，电池内是做电能交换式的，因为锂本身的活性比较强，所以不用纯的锂，但是锂离子在充放电的过程当中可能在正极和负极产生堆积，产生堆积的时候，它会像我们看到很多东西生成晶体一样，它会生产一种晶枝，就像树上长的树枝一样，它会慢慢变长，在这个过程当中，就会刺穿绝缘层，这是微观上的短路，短路的时候会产生大量的热量，这个热量会使锂离子电池里面的一些电解液还有绝缘层材料局部产生气化。如果这个热量产生的过快，那么气化的过程过快，其中锂离子电池里面的气压就会增大，气压增大到一定的程度，外壳的强度承受不了，这个外壳就会崩裂，所有的锂离子的爆炸原理都是这样的，都是因为内部的气压过大然后造成崩裂的。1、内部短路是如何形成的：锂离子电池的最大的隐患是应用钴酸锂的锂离子电池在过充的情况下（甚至正常充放电时），锂离子在负极堆积形成枝晶，刺穿隔膜，形成内部短路。2、产生大电流：外部短路，内部短路将产生几百安培的过大电流i.外部短路时，由于外部负载过低，电池瞬间大电流放电。在内阻上消耗大量能量，产生巨大热量。ii.内部短路，主要原因是隔膜被穿透，内部形成大电流，温度上升导致隔膜熔化，短路面积扩大，进而形成恶性循环3、气体是哪里来的：锂离子电池为达到单只电芯3－4.2V的高工作电压（镍氢和镍硌电池工作电压为1.2V，铅酸电池工作电压为2V），必须采取分解电压大于2V的有机电解液，而采用有机电解液在大电流，高温的条件下会被电解，电解产生气体，导致内部压力升高，严重会冲破壳体电池爆炸原理及预防4、燃烧是如何发生的：热量来源于大电流，同时在高电压（超过5V）情况下，正极锂的氧化物也会发生氧化反应，析出金属锂，在气体导致壳体破裂的情况下，与空气直接接触，导致燃烧，同时引燃电解液，发生强烈火焰，气体急速膨胀，发生爆炸。在充放电，因为更多的出现局部短路现象的情况都是在于过充过放这种比较激烈的使用电池的情况下才会产生。对过充过放，其实锂离子电池跟干电池不太一样，手机电池并不是一个纯粹的电池芯，电池芯外面会有一个保护电路板，这个保护电路板的作用就是防止对电池芯进行过充过放的。所以保护电路板的设计其实对电池的安全性也是很重要的。如果把保护电路板设计好，一般也能保证这个电池不会出现过充过放的现象。这个电池出现危险机率也会更加小。另外一方面，我们要求电池本身在外壳上有一个安全卸压结构。也就是当电池无法避免内部有一定的气压产生的时候，应该在气压达到一定强度的时候，应该把气压卸放掉，如果这个气压结构能够起到作用，我们也应该看不到爆炸的电池。如果说电池本身设计得很好，然后也按正常的工艺来走，应该说它的爆炸机率应该是极小的，应该是可以杜绝的。另一方面，锂离子聚合物电池，其实不是原理上不会产生这些气压，原因是内部绝缘层和一些介质采用的是聚合物，其中很少有这种液态的东西，于是在封装这个电池芯的时候，它的外封装采用的是一个很薄的铝膜，铝膜的承压能力很差。如果聚合物电池产生一定的气压的话，铝膜自己就离开了，消费者很难发现它有爆炸或者是其他的现象，可能会感觉它漏液了似的。这种电池应该说不会有爆炸的问题，但是它更多的问题可能是漏液或者是性能下降或者是破裂这样的问题，但是它不能避免着火这样的问题，因为它还是会有局部短路的现象。但聚合物电池并没有从根本上解决安全性问题，同样使用钴酸锂和有机电解液，而且电解液为胶状，不易泄漏，将会发生更猛烈的燃烧，燃烧是聚合物电池安全性最大的问题。这个局部短路过热也会引起着火。所以应该说不管用哪种锂离子电池，消费者都应该小心的去用，不要把它放在一些极端的环境条件下，然后用一些极端的条件来使用锂离子电池。因为正规厂家的质量和工艺控制都比较严格，所以在这方面出现微观短路的现象是微乎其微的，但是确实有一些假冒伪劣厂，一方面对工艺控制不是很好，另一方面还有可能是二手电池翻新来的，在这种情况下出现这种微观的短路的概率会比较大。这种电池就更容易出现着火、爆炸等这种比较恶性的事故锂离子电池的安全性问题，并不是外围问题，而是一个基于材料技术的本质问题。在材料技术上取得突破：1、选择安全的正极材料，目前的正极有钴酸锂和锰酸锂两种量产的材料产品。钴酸锂在小电芯方面是很成熟的体系，由于钴酸锂在分子结构方面（LiCo）的特点：充满电后，仍旧有大量的锂离子留在正极，当过充时，残留在正极的锂离子将会涌向负极，在负极上形成枝晶是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果，甚至在正常充放电过程中，也有可能会有多余的锂离子游离到负极形成枝晶。所以手机电池频频发生爆炸事件，一方面是由于保护电路失效，但更重要的是在材料方面并没有根本的解决问题。同时钴酸锂的氧化性强，在175度时就会分解，壳体泄漏，与空气接触，发生燃烧、爆炸。2、选择锰酸锂材料，在分子结构方面保证了在满电状态，正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中，从根本上避免了枝晶的产生。同时锰酸锂稳固的结构，使其氧化性能远远低于钴酸锂，分解温度超过钴酸锂100度，即使由于外力发生内部短路（针刺），外部短路，过充电时，也完全能够避免了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。电池爆炸原理及预防3、选择热关闭性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔离电池正负极的同时，允许锂离子的通过。当温度升高时，在隔膜熔化前进行关闭，从而使内阻上升至2000欧姆，让内部反应停止下来。4防爆阀：当内部压力或温度达到预置的标准时，防爆阀将打开，开始进行卸压，以防止内部气体积累过多，发生形变，最终导致壳体爆裂。5、保护电路：通常保护电路需起到防止过充电，过放电，超大电流的作用。主要原理是通过测量每一只电芯的电压和总电流，控制开关电路进行整个回路的关断，在电路的设计上并没有过高的难度。但保护电路的设计是否合理，可靠性是否足够高，是考验生产厂商的能力。保护电路是基于大约数十个个电阻、电容，开关MOS管等电子元器件组成的PCB电路，各个元器件都存在失效的可能性。失效的保护电路会出现开路或导通两种状态，当开路时会导致用户不能使用电池组，而导通的状态将会考验电芯抗过充的能力其实如果这个电池工艺做得好，电池本身是会不爆炸的，但是出现这种爆炸从概率学上判断其实是一种极少数的情况。那么另外一方面，其实这种极少数也说明现在的锂离子电池本身从原理上是无法杜绝这件现象的。因为它本身只要使用这种锂离子，只要是使用这样的一个工艺，它本身在原理上是存在一定缺陷的。锂离子电池有几个特点，第一个，不能耐高温，所以一般建议在45度以上要尽量避免使用，因为在这样高的温度下进行充放电的动作之后，电池芯内就容易产生一些异常现象。温度也不要低于零度，因为低于零度也对这个电池的充放电会造成一些问题。另外就是充电的条件，充电的条件，一般可以看这个电池会标称额电池，后面叫毫安时，MAH，前面是一个数字，比如说800毫安时、1000毫安时等等，它代表了一个容量，也就是可以按1000毫安的电流放一个小时的电，但是这个数字也可以看成是一个限时，也就是说在这样的一个电流下，尽量避免在超过这种电流去充电，也尽量避免使用超过这种电流的放电。这个电流以下充放电是没有问题的，这个电流以上充放电可能都会产生一些异常现象。过充过放的话，我们是不是比如电池充了一段时间以后，已经充满了，但是忘记拨掉，这样对电池本身的寿命有一定的损伤，另外对安全性角度现在的这个充电器如果设计好的话，应该是没有影响的，但是确实有一些不好的充电器，因为在充电和放电这个过程有几道保护，一个是本身充电器应该有充电的管理模块，这个电池的充电跟一般其他的蓄电池不太一样，首先应该最好的模式是先恒流充电，恒流比如电量很少的情况下，那么我们应该用标称值，比如1000毫安的电池，那么我们用1000毫安的电流去恒流冲，它的电压提高了之后，提高到一定程度之后，比如说在4点20左右，应该恒压充，如果是多充一些时间问题是不大的，就怕很多充电器并没有这样充电的管理模块，就是一电池爆炸原理及预防个电压加上去了或者是一个电流加上去了，一直这样充下去，这样就很容易造成过充现象，就是过度充电现象，过度充电对电池的影响是比较大的。锂离子聚合物的电池，现在应用已经比较广泛了，大家应该在很多手机配的电池上都可以看到，写的是锂离子聚合物电池。从生产成本上来说，它会比锂离子电池要贵一些，因为它的本身能量密度会大一些。大家会感觉到一块很薄的电池，它的待机时间比其他的锂离子电池会长。最近发生的手机爆炸事件也非常多，有一些可能只是小规模的，大家是一场虚惊，但是并没有发生什么死伤，但是有一些事件确实造成人员的死伤，这个手机电池一旦爆炸的话，它的杀伤力能够有多大呢？如果是一些假冒伪劣的电池，电池封装的时候一种是铝壳的电池，一种是不锈钢的电池。从对电池的性能来说，当然外壳的强度是有一定要求的，因为外壳没有一定强度的时候，这个电池很容易被冲击，受冲击内部出现一些损伤，就出现危险。当内部出现危险的时候，外壳的危险也是致命的。如果我们的外壳强度很强，那么也就是说，它的内部气压会积攒到相当大的能量的时候，会爆炸。我们知道一般铝壳还好一点，不锈钢应该说是铁壳，而且不锈钢的强度很高，所以如果是不锈钢的电池爆炸的话，应该威力确实不小。所以我们才会看到现在这些很惨痛的恶性事故出现。如果是正规的手机电池的话，它们的外壳也是有不锈钢。但是一般正规电池厂他们一般有有效的卸压结构，当内部压力达到一定程度的时候，他们应该是顺着这个规定的卸压方向然后把这个内部气压卸放掉。总结一下，实际上还是应该到正规的渠道去购买正规的，最好是原装的手机电池。对正规厂家的还有绝大多数的电池厂家的电池应该有一定的信任和放心。其实总体上，手机电池出现危险的机率还是比较小的，之所以最近几年有这么多的报道，应该说是跟通信业的快速发展、规模的扩大、手机普及率的增长是有很大关系的。也就是说，其实因为我们拥有的手机总量增多，所以即使概率没有变，这样的事件本身数量上也还是增多了。现在市面上非原装的手机电池也非常流行，包括因为它的价格上也比较便宜，然后大家购买的渠道也比较多一些，对于这些电池的话，如果我们的用户实在是要去购买这些电池的话，那么在使用上，因为这些电池也是一样的，不管它是二手翻新的，还是工艺控制很好的这些电池。那么它也怕充放电，就是我刚才说的，在极底的温度下，还有在极高的温度下，尽量不要对它进行充放电。第二是不要再用更伪劣的充电器再去充它，可能危险的机率会比较高。还有如果我们看到这个电池出现了一些过热还有电池有些变形，那么我们千万别再吝惜这点电池，一定要停止使用。因为出现局部过热现象还有出现变形的现象应该说已经是危险的前兆了。应该说，如果是正规、良好的电池，它就算使用到寿命结束，充放不了电了，它也不应该出现这样的现象。但是实际上就是使用时间久了以后，电池坏掉的机率还是蛮大电池爆炸原理