電池為什么爆炸

電池推動了現代生活，從智能手機到電動車，很多科技裝置都離不開電池。但電池是如何存儲電力的？為什么它們總是用不了多長時間？在多起三星手機電池爆炸事件后，人們又面臨著一個新問題：電池為什么會爆炸？怎么樣才能讓電池更耐用、更安全？

說電池壽命是一個“爆炸性”問題真的一點都不夸張，三星公司已經通過慘痛教訓發現這一令人悲哀的事實。三星GALAXY NOTE7手機剛上市時因為電池壽命遠超其競爭對手而備受稱贊。可惜好景不長。全球陸續發生GALAXY NOTE7電池爆炸事件。三星被迫召回故障型號并推出退換計劃，然而替換的新手機也開始爆炸，迫使三星全線停產。

這一事件只是改進電子設備電池性能的漫長道路上最新遭遇一個路障。處理器的性能快速提高，每18個月就翻一倍，然而電池的容量用了近10年才取得同等的進步。這種巨大差距開始導致問題，三星的教訓再次說明這是一個難以攻克的技術挑戰。

智能手機的電池通常不足以支撐一整天使用，筆記本電腦只能連續使用幾個小時，電動車充滿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如此棘手的問題，我們什么時候才能攻克它？

電池的構造與原理

電池就像裝載化學能量的小型容器。當智能手機插入電源，電流引發電池內的化學反應，使電子從負極流向正極。

充電完成后，電池推動電子穿過回路（在此情況下就是智能手機）流向負極，直到電池中所有的電子都返回了負極，或者直到內置開關切斷電源。

一塊典型的電池通常包含負極、正極和電解質——即正離子流通的介質。

大多數智能手機和電子設備使用的鋰離子電池含有一個鈷、鎳、錳或鐵混合物制成的金屬氧化正極、一個內部容納鋰離子的多孔石墨負極，以及鋰鹽電解質。

帶正電的鋰離子從負極經過電解質流向正極，驅動電子通過智能手機，再返回負極。

電池為什么不耐用

電池的原理也許很簡單，但其中包含的技術卻很復雜。而電池的最大局限是它們能量密度。

一塊電池能夠產生的電能多少取決于它的化學構件儲存能量的多少。電池內的非活性材料都構成負擔，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。

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

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

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

這是因為，產生電流的化學反應會導致薄薄的一層鋰沉積在電極上，從而導致可用于產生電流的鋰離子數量減少，并導致電池內部電阻增加。

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。你可能還記得中學學過的相關公式：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存在，但都不夠安全，因而不適合便攜設備使用。

“你往盒子里塞入越多的能量，它就越危險，”倫敦帝國理工學院戴森工程設計學院講師比利·吳（B ILLYWU）說，“安全是關鍵，溫度管理至關重要。如果電池溫度超過800攝氏度，就會導致‘熱失控’，部件開始分解，進而導致爆炸。”

三星智能手機爆炸的具體原因尚不得而知，公司只透露是“電池問題”導致。

電池技術的未來

在短期內，電池的進步將主要依靠不斷將鋰離子技術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/千克，但最終產品的實際能量密度只有150瓦特小時/千克，因此還存在很大的改進空間。

“關鍵在于優化電池內部結構，”比利·吳說，“電池內部是一個充滿活性材料的多孔結構。”

“要實現更大的能量輸出，需要增加結構的孔隙，從而增加表面積，每次允許更多的鋰離子通過，但反過來，如果空隙增加，可容納的活性材料相應減少，導致功率減少。

世界各地的眾多企業都在研究更新、更先進的電池化學構成，比如鋰-硫或鋰-硅電池。

在更遙遠的未來，固態電池可能變成現實。在這種電池中，液態的電解質被固體物質取代。這將在很大程度上提高電池的安全性。

吳解釋說，“固態電池的主要優勢在于，可以繼續使用鋰做負極材料。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。”

據吳介紹，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應用至少還需要20年。

如何延長電池壽命

一些簡單的方法可以幫助延長電池的使用壽命。由于電池內的化學反應特性，在剩余電能不足20%的狀態下放電或是在容量超過80%的狀態下充電時對電池的損耗較大。

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損耗，長時間維持電池的高電能容量。正在研發中的智能電源管理系統都是基于這一原理。

絕不要讓手機保持長期充電狀態，對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。每個月充放一次就能有效延長電池使用壽命。

本刊整理自《南方都市報》