電池為什么爆炸

電池推動(dòng)了現(xiàn)代生活，從智能手機(jī)到電動(dòng)車(chē)，很多科技裝置都離不開(kāi)電池。但電池是如何存儲(chǔ)電力的？為什么它們總是用不了多長(zhǎng)時(shí)間？在多起三星手機(jī)電池爆炸事件后，人們又面臨著一個(gè)新問(wèn)題：電池為什么會(huì)爆炸？怎么樣才能讓電池更耐用、更安全？

說(shuō)電池壽命是一個(gè)“爆炸性”問(wèn)題真的一點(diǎn)都不夸張，三星公司已經(jīng)通過(guò)慘痛教訓(xùn)發(fā)現(xiàn)這一令人悲哀的事實(shí)。三星GALAXY NOTE7手機(jī)剛上市時(shí)因?yàn)殡姵貕勖h(yuǎn)超其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手而備受稱(chēng)贊?？上Ш镁安婚L(zhǎng)。全球陸續(xù)發(fā)生GALAXY NOTE7電池爆炸事件。三星被迫召回故障型號(hào)并推出退換計(jì)劃，然而替換的新手機(jī)也開(kāi)始爆炸，迫使三星全線停產(chǎn)。

這一事件只是改進(jìn)電子設(shè)備電池性能的漫長(zhǎng)道路上最新遭遇一個(gè)路障。處理器的性能快速提高，每18個(gè)月就翻一倍，然而電池的容量用了近10年才取得同等的進(jìn)步。這種巨大差距開(kāi)始導(dǎo)致問(wèn)題，三星的教訓(xùn)再次說(shuō)明這是一個(gè)難以攻克的技術(shù)挑戰(zhàn)。

智能手機(jī)的電池通常不足以支撐一整天使用，筆記本電腦只能連續(xù)使用幾個(gè)小時(shí)，電動(dòng)車(chē)充滿(mǎn)電后的行駛里程很難突破350英里（約563公里）。那么，為什么電池容量依然是一個(gè)如此棘手的問(wèn)題，我們什么時(shí)候才能攻克它？

電池的構(gòu)造與原理

電池就像裝載化學(xué)能量的小型容器。當(dāng)智能手機(jī)插入電源，電流引發(fā)電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，使電子從負(fù)極流向正極。

充電完成后，電池推動(dòng)電子穿過(guò)回路（在此情況下就是智能手機(jī)）流向負(fù)極，直到電池中所有的電子都返回了負(fù)極，或者直到內(nèi)置開(kāi)關(guān)切斷電源。

一塊典型的電池通常包含負(fù)極、正極和電解質(zhì)——即正離子流通的介質(zhì)。

大多數(shù)智能手機(jī)和電子設(shè)備使用的鋰離子電池含有一個(gè)鈷、鎳、錳或鐵混合物制成的金屬氧化正極、一個(gè)內(nèi)部容納鋰離子的多孔石墨負(fù)極，以及鋰鹽電解質(zhì)。

帶正電的鋰離子從負(fù)極經(jīng)過(guò)電解質(zhì)流向正極，驅(qū)動(dòng)電子通過(guò)智能手機(jī)，再返回負(fù)極。

電池為什么不耐用

電池的原理也許很簡(jiǎn)單，但其中包含的技術(shù)卻很復(fù)雜。而電池的最大局限是它們能量密度。

一塊電池能夠產(chǎn)生的電能多少取決于它的化學(xué)構(gòu)件儲(chǔ)存能量的多少。電池內(nèi)的非活性材料都構(gòu)成負(fù)擔(dān)，這包括外殼、控制芯片、輸出電流的纜線——它們只能增加重量，不能增加能量。

典型的智能手機(jī)鋰離子電池的能量密度約150瓦特小時(shí)/千克（W H/KG）。自從1990年誕生以來(lái)，鋰離子電池的能量密度已經(jīng)有所提高，但依然受構(gòu)造和化學(xué)原理限制。

依靠現(xiàn)有技術(shù)，快速提高智能電池使用時(shí)間的唯一方法就是增加智能手機(jī)電子元件的能效，或者增加電池尺寸，然而越來(lái)越纖薄的智能手機(jī)要求更纖薄的電池。

在智能手機(jī)的服役期間，電池使用時(shí)間并不是恒定不變的，隨著時(shí)間流逝和電池的反復(fù)充電和放電，電池使用時(shí)間變得越來(lái)越短。

這是因?yàn)椋a(chǎn)生電流的化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致薄薄的一層鋰沉積在電極上，從而導(dǎo)致可用于產(chǎn)生電流的鋰離子數(shù)量減少，并導(dǎo)致電池內(nèi)部電阻增加。

電阻越高，電池維持有效電壓就越難，因此每次充電后輸出的電力減少。你可能還記得中學(xué)學(xué)過(guò)的相關(guān)公式：電壓=電流X電阻（V = IR）。

電池爆炸的原因

比鋰離子電池能量密度大得多的電池已經(jīng)存在，但都不夠安全，因而不適合便攜設(shè)備使用。

“你往盒子里塞入越多的能量，它就越危險(xiǎn)，”倫敦帝國(guó)理工學(xué)院戴森工程設(shè)計(jì)學(xué)院講師比利·吳（B ILLYWU）說(shuō)，“安全是關(guān)鍵，溫度管理至關(guān)重要。如果電池溫度超過(guò)800攝氏度，就會(huì)導(dǎo)致‘熱失控，部件開(kāi)始分解，進(jìn)而導(dǎo)致爆炸?！?/p>

三星智能手機(jī)爆炸的具體原因尚不得而知，公司只透露是“電池問(wèn)題”導(dǎo)致。

電池技術(shù)的未來(lái)

在短期內(nèi)，電池的進(jìn)步將主要依靠不斷將鋰離子技術(shù)推向它們的理論極限，以此提高電池的能量密度。

一般使用鋰錳氧化物的鋰離子電池的能量密度為280瓦特小時(shí)/千克，但最終產(chǎn)品的實(shí)際能量密度只有150瓦特小時(shí)/千克，因此還存在很大的改進(jìn)空間。

“關(guān)鍵在于優(yōu)化電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，”比利·吳說(shuō)，“電池內(nèi)部是一個(gè)充滿(mǎn)活性材料的多孔結(jié)構(gòu)?！?/p>

“要實(shí)現(xiàn)更大的能量輸出，需要增加結(jié)構(gòu)的孔隙，從而增加表面積，每次允許更多的鋰離子通過(guò)，但反過(guò)來(lái)，如果空隙增加，可容納的活性材料相應(yīng)減少，導(dǎo)致功率減少。

世界各地的眾多企業(yè)都在研究更新、更先進(jìn)的電池化學(xué)構(gòu)成，比如鋰-硫或鋰-硅電池。

在更遙遠(yuǎn)的未來(lái)，固態(tài)電池可能變成現(xiàn)實(shí)。在這種電池中，液態(tài)的電解質(zhì)被固體物質(zhì)取代。這將在很大程度上提高電池的安全性。

吳解釋說(shuō)，“固態(tài)電池的主要優(yōu)勢(shì)在于，可以繼續(xù)使用鋰做負(fù)極材料。鋰具有出色的能量密度，但和電解液配合使用存在安全隱患?！?/p>

據(jù)吳介紹，使用鋅、鋰或鋁為主要材料的金屬——空氣電池同樣被寄予厚望，但這種電池投入商業(yè)應(yīng)用至少還需要20年。

如何延長(zhǎng)電池壽命

一些簡(jiǎn)單的方法可以幫助延長(zhǎng)電池的使用壽命。由于電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)特性，在剩余電能不足20%的狀態(tài)下放電或是在容量超過(guò)80%的狀態(tài)下充電時(shí)對(duì)電池的損耗較大。

因此，讓鋰離子電池的電能保持在20%～80%的水平有助減少電池?fù)p耗，長(zhǎng)時(shí)間維持電池的高電能容量。正在研發(fā)中的智能電源管理系統(tǒng)都是基于這一原理。

絕不要讓手機(jī)保持長(zhǎng)期充電狀態(tài)，對(duì)于筆記本電腦尤其如此。定期充電、放電有助電池維持更好的工作狀態(tài)。每個(gè)月充放一次就能有效延長(zhǎng)電池使用壽命。

本刊整理自《南方都市報(bào)》