鋰電池為何被飛機(jī)“不待見”

子寧

2016年，三星Galaxy Note7手機(jī)頻繁發(fā)生的爆炸、自燃事件令民航企業(yè)心頭一緊，包括中國民航局在內(nèi)的世界各國航空管理部門相繼下令禁止隨身攜帶或托運(yùn)三星Galaxy Note7手機(jī)乘機(jī)。不僅如此，在充電寶等便攜式移動電源剛剛興起之時(shí)，中國民航局就出臺規(guī)定，充電寶只能隨身或在手提行李中攜帶，禁止托運(yùn)，并需符合要求的電容量，此外，筆記本電腦、相機(jī)等電子設(shè)備的備用電池等也禁止托運(yùn)，一些超大容量的個(gè)人商用級電池，例如8軸無人機(jī)使用的大容量電池組，在經(jīng)過航空公司允許運(yùn)輸后，也只能裝箱以手提行李帶上客艙。國際民航組織在2016年頒布禁令，從當(dāng)年4月1日期，禁止所有可充電鋰電池通過客機(jī)托運(yùn)，該規(guī)定持續(xù)到鋰電池安全包裝新標(biāo)準(zhǔn)出臺為止。鋰電池一時(shí)間成為眾矢之的，被輿論推上風(fēng)口浪尖。

鋰電池不僅作為旅客行李時(shí)被限制頗多，在作為機(jī)載電源設(shè)備時(shí)，也有一段相當(dāng)“活躍”的時(shí)期，頂峰時(shí)刻，不僅燒穿了一架埃塞俄比亞航空波音787的碳纖維機(jī)身，還在一架日航787飛機(jī)上因?yàn)橹?，?dǎo)致全球波音787被停飛的厄運(yùn)。

鋰電池這么危險(xiǎn)，作為永遠(yuǎn)將安全放在第一位的民航部門，他們?yōu)榇俗隽诵┦裁矗?/p>

2013年1月7日，日本航空一架波音787飛機(jī)在降落美國波士頓機(jī)場后客艙冒煙，乘客緊急疏塞，消防隊(duì)員趕到后在艙內(nèi)發(fā)現(xiàn)明火，所幸處置及時(shí)，沒有發(fā)生人員傷亡。然而，三番兩次的787機(jī)上鋰電池組起火事件令FAA壓力山大，此次事故后，F(xiàn)AA下令所有登記在美國的787客機(jī)強(qiáng)制停飛，緊接著，歐洲航空安全局下令歐洲各國787停飛，當(dāng)時(shí)印度航空公司已經(jīng)開始運(yùn)營787，也被印度當(dāng)局緊急叫停，全世界所有787，停飛，因?yàn)殇囯姵亟M會著火！

關(guān)于787電池事故的原因，美國運(yùn)輸安全委員會對此作了詳細(xì)的調(diào)查。在對日本航空787在波士頓發(fā)生鋰電池著火事故的調(diào)查中，運(yùn)輸安全委員會主席德博拉·A·P·赫斯曼（Deborah A. P. Hersman）表示，問題似乎出自電池組，8個(gè)電池單元中有一個(gè)發(fā)生了短路，火勢蔓延到了其余的電池單元。波音公司為此提出了重新設(shè)計(jì)電池的計(jì)劃：在電池組的8個(gè)單元之間，加上隔絕設(shè)施，將短路故障漫延到多數(shù)單元甚至全部單元的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。波音公司還提出，添加一些系統(tǒng)，監(jiān)測各電池單元內(nèi)部的溫度和活動。波音將把電池放進(jìn)更堅(jiān)固的鋼質(zhì)箱子里，從而限制起火時(shí)火勢蔓延，還安裝了一些管道，將危險(xiǎn)氣體排到飛機(jī)外面去。

? ?2013年1月7日，日本航空一架波音787客機(jī)在波士頓機(jī)場著火。事后查明是因?yàn)锳PU電瓶組件因短路起火。圖為事故調(diào)查時(shí)拍攝的燒毀的電瓶。

綜合多起事故發(fā)現(xiàn)，鋰電池過熱、燃燒、爆炸事故多是因?yàn)殡姵貎?nèi)部芯級短路造成的，除了電池本身的設(shè)計(jì)缺陷外，飛機(jī)震動、壓力變化、溫度變化也可能成為事故誘因。

看來短路是鋰電池爆炸的核心原因。

再看被全球民航管理單位列為禁品的三星手機(jī)。韓國相關(guān)單位對三星Galaxy Note7手機(jī)電池進(jìn)行X光拍照后發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計(jì)原因，手機(jī)內(nèi)部鋰電池電極片極易因碰撞發(fā)生彎曲，造成電池內(nèi)部短路，短路產(chǎn)生的熱量使作為電解質(zhì)的凝膠體和混合物發(fā)生分解，這些電解質(zhì)往往采用高氯酸鉀、六氟磷酸鉀等作為溶質(zhì)，而溶劑則采用乙醚、乙烯碳酸酯等有機(jī)物，這些物質(zhì)受熱之后會產(chǎn)生大量氣體，因此我們也曾在日常生活中見到鋰電池膨脹的現(xiàn)象。如果電池最外層無法承受內(nèi)部有機(jī)物膨脹時(shí)產(chǎn)生的壓力，就會發(fā)生爆炸。

除了因?yàn)樵O(shè)計(jì)不良導(dǎo)致正負(fù)極內(nèi)部短路外，鋰電池的短路原因還有，當(dāng)反復(fù)充電時(shí)，電池內(nèi)部的石墨結(jié)構(gòu)會因?yàn)殡娮恿鲃赢a(chǎn)生腐蝕剝落，并在芯級形成固體電解質(zhì)膜，電機(jī)發(fā)生氧化結(jié)晶，當(dāng)結(jié)晶體不斷積累，刺穿正負(fù)極之間的隔板后，鋰電池內(nèi)部就發(fā)生了短路。

當(dāng)然，鋰電池發(fā)生內(nèi)部短路的現(xiàn)象可以通過改進(jìn)設(shè)計(jì)來避免，在飛行器制造領(lǐng)域，對鋰電池等電氣設(shè)備的安全性也有著明確、嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。在中國民航局頒布的CCAR-25-R4適航條款中，第25.1353（b）條“電氣設(shè)備及安裝”中明確規(guī)定，“蓄電池在任何可能的充電或放電狀態(tài)下，單體蓄電池的溫度和壓力必須保持在安全范圍內(nèi)。當(dāng)蓄電池（在預(yù)先安全放電之后）在下列情況重新充電時(shí)，單體蓄電池的問題溫度不得有不可控的升高?！逼渲小跋铝星闆r”包括以標(biāo)定電壓或功率、最長飛行時(shí)間等。FAA也有相同的規(guī)定。因此，如果嚴(yán)格以適航條例作為判據(jù)，波音787飛機(jī)在當(dāng)時(shí)并未完全達(dá)標(biāo)，乃至在2013年4月26日，F(xiàn)AA解除了787飛機(jī)的停飛命令后，復(fù)飛后787仍存在一些問題，后續(xù)造成的多起故障、起火事故使許多航空公司蒙受損失。所幸的是波音787并未發(fā)生致命事故，時(shí)至2017年，787-9大量交付，787-10成功首飛也說明波音公司在787飛機(jī)后續(xù)的生產(chǎn)中，對電池供應(yīng)商提出了更高的要求。當(dāng)然，波音787電池事故屬于型號個(gè)例，這些事故也符合工業(yè)產(chǎn)品故障發(fā)生的澡盆曲線規(guī)律。

韓國媒體公布的三星Galaxy Note7電池爆炸事件調(diào)查情況，X光拍攝的Note7手機(jī)內(nèi)部電池組極片因變形發(fā)生短路，是造成手機(jī)自燃爆炸的主要因素。

中國民航方面，早在三星Note7手機(jī)自燃問題發(fā)生前，就曾就出現(xiàn)過電子產(chǎn)品機(jī)上自燃的事故。2011年5月25日CA1549航班，一名乘客攜帶的攝像機(jī)電池客艙行李架中發(fā)生自燃，所幸處置及時(shí)，飛機(jī)最終平安著陸。

這也回答了文章開頭寫到的，為什么水果刀等只能托運(yùn)，而移動電源等鋰電池設(shè)備卻只能隨身攜帶呢？因?yàn)槿绻诳团?，鋰電池發(fā)生自燃冒出的煙霧可被乘客發(fā)現(xiàn)并第一時(shí)間撲滅，但托運(yùn)條件下，很有可能失去第一時(shí)間撲滅的機(jī)會。而飛機(jī)經(jīng)常因?yàn)闅饬髟虬l(fā)生顛簸，發(fā)生碰撞后的鋰電池內(nèi)部也可能發(fā)生短路自燃。因此，鋰電池僅允許隨身攜帶，且放在人能看到且可迅速處置的地方。

對于攜帶標(biāo)準(zhǔn)，中國民航局也明確，“個(gè)人自用的消費(fèi)電子產(chǎn)品，如手表、計(jì)算機(jī)、照相機(jī)、手機(jī)、筆記型電腦、便攜式攝影機(jī)等，如果內(nèi)含鋰或鋰離子電池芯或電池的，允許登機(jī)。如作為備用電池的，必須單個(gè)存放，必須做好防短路保護(hù)，僅能在手提行李中攜帶，并且限制在每人不超過2個(gè)，等質(zhì)總鋰含量不超過25克。托運(yùn)行李禁止攜帶鋰離子電池?！?/p>

鋰，作為原子量最小的金屬元素，作為質(zhì)量最輕的堿金屬，其作為陽極的電池具有極高的能量密度。但同樣因?yàn)槠浠钴S的化學(xué)特性，鋰電池的設(shè)計(jì)、制造也面臨著諸多困難。當(dāng)鋰電池的便捷性與其潛在的危險(xiǎn)性和航空運(yùn)輸業(yè)要求的絕對安全性相比，民眾也許就能理解民航局對鋰電池“不待見”的態(tài)度了。

最后給大家一些乘機(jī)攜帶電子產(chǎn)品的小建議：日常自用的、正規(guī)途徑購買的手機(jī)、攝影攝像機(jī)、筆記本電腦均可隨身攜帶;目前市面上銷售的品牌充電寶容量均小于100瓦特小時(shí)，可隨身攜帶;各類電池單獨(dú)攜帶時(shí)應(yīng)進(jìn)行絕緣處理，如加裝保護(hù)蓋或使用絕緣膠帶貼住芯極;如果攜帶大量電子產(chǎn)品，登機(jī)后應(yīng)及時(shí)告知乘務(wù)人員行李存放位置，以便在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)得到及時(shí)處置。

鋰電池，作為改善人類生活水平的科學(xué)發(fā)明，不應(yīng)成為危及人類生命安全的“炸彈”。相信在未來管理者對航空安全的標(biāo)準(zhǔn)不斷提升的同時(shí)，鋰電池也會越來越安全與高效，與航空安全、與普通人的生活更加和諧地相處下去。

責(zé)任編輯：陳肖

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混淆的鋰電池？

關(guān)于“鋰電池”，有一個(gè)容易混淆的概念需要澄清。通常情況下，在手機(jī)、相機(jī)等便攜式移動電子設(shè)備中使用的可充電“鋰電池”是“鋰離子電池”，它主要依靠鋰離子在正負(fù)極之間的移動產(chǎn)生電流，鋰離子電池使用一個(gè)嵌入式鋰化合物作為一個(gè)電極材料;而名詞解釋中嚴(yán)格意義上的“鋰電池”為“鋰原電池”，內(nèi)含純態(tài)鋰金屬，鋰原電池僅可一次性使用，不可充電。文中所述“鋰電池”均指日常生活中常見的、可以充電的“鋰離子電池”。

危險(xiǎn)的鋰電池？

鋰離子電池概念最早由美國科學(xué)家惠廷厄姆（M.S.Whittingham）于1970年代提出，他采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O，金屬鋰作為負(fù)極，制成了首個(gè)鋰離子電池。但同時(shí)鋰電池的安全性問題被提出，因?yàn)榻饘黉囀且环N反應(yīng)性極強(qiáng)的物質(zhì)，正常大氣環(huán)境下遇水或氧氣即可劇烈燃燒，所以金屬鋰通常儲存在固體石蠟或惰性氣體中。若要大規(guī)模生產(chǎn)與使用鋰電池，鋰元素必須以化合物的形態(tài)存在，且這種化合物仍能夠接收和釋放鋰離子。隨著對鋰電池的研究，其性能與容量不斷提升，1991年，索尼公司和旭化成公司發(fā)布了首個(gè)商用鋰電池，消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌自此革新。之后，微型磷酸鹽顆粒的加入進(jìn)一步提升了鋰電池的性能。電流需要在電池內(nèi)部形成回路，電解液不可或缺。在鋰離子電池中，電解液可以是凝膠體、聚合物、或凝膠體與聚合物的混合物，但因?yàn)槟壳吧形窗l(fā)現(xiàn)能夠在室溫條件下有效運(yùn)送鋰離子的聚合物，所以大多數(shù)“塑膠封袋”鋰電池事實(shí)上都是凝膠體和聚合物的混合型電池。而有關(guān)鋰電池危險(xiǎn)性的問題往往出自電解液。