手機電池缺陷分析

雷振超 向磊 孫卜一

摘 要：隨著科技的發展，手機越來越普及，但其出現的問題也越來越多，特別是手機電池引發的問題，關涉到消費者的財產和安全問題，顯得尤為重要。而鋰電池以其優良的特點得到了廣泛的運用。本文從鋰離子電池組的安全性進行分析，對消費者選擇手機作為一個參考值。

關鍵詞：手機；鋰離子電池；安全

近年來，隨著科學技術的發展，手機質量在不斷提升，價格在逐漸下降，再加上人民經濟能力和生活水平的提高，我國手機的普及率在不斷上漲。根據數據統計：截止到2015年年底，中國手機普及率已達到92.49部/百人，手機網民數量達7.8億，占全國人口數量的56.9%，手機已成了多數人的必需品。即時通訊、拍照、看視頻、收發郵件、查看網頁等，現在流行的智能手機擁有各種各樣人性化的功能；蘋果、三星、諾基亞、華為、小米、魅族等，手機的品牌也在不斷增多；與此同時，手機本身的缺陷及弊端也在不斷暴露。近年來，手機過熱、手機死機、手機待機時間過短、手機頻繁自動關機等問題屢見不鮮，甚至還出現三星Note 7爆炸事件，而手機所出現的這些故障又與手機電池缺陷息息相關。

手機電池是為手機提供電力的儲能工具，其主要由鋰離子電池芯、保護電路及外殼三部分組成。常用的手機電池一般分為三種：鎳-鉻類、鎳-氫類和鋰離子類。相較于鎳-鉻電池和鎳-氫電池，鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、重量輕、無污染、能量密度高且無記憶效應等優點，故占據目前手機電池市場的主流。因此，本文將研究對象設定為廣泛應用的鋰離子電池組。

1.鋰離子電池組的組成

（1）鋰離子電池芯

鋰離子電池芯是指含有鋰離子的能夠直接將化學能轉化為電能的裝置，一般分為鋁殼電芯、軟包電芯和圓柱電芯三種，手機電池通常采用的為鋁殼電芯。該裝置包括電極、隔膜、電解質、容器和端子等，并被設計為可充電。

電極是電池的核心部分，由活性物質和導電骨架構成。正負極活性物質是電能產生的源泉，是決定電池基本特性的重要組成部分。負極主要是各種碳材料，包括石墨化碳材料和無定形碳材料。

隔膜是由高分子聚烯烴樹脂做成的微孔膜，隔膜的基本功能是阻止電子傳導，同時在正負極之間傳導離子，從而將鋰離子電芯的正負極分開，避免正負極接觸發生短路。

電解質是鋰電芯的主要組成之一，主要承擔著通過電池內部在正負極之間傳輸離子的作用，其對電池的容量、工作溫度范圍、循環性能及安全性能都有重要的影響。

端子是鋰離子電池與外部導體連接的部件，主要起傳遞信號或導電的作用。手機電池一般有三個端子，分別是兩個工作端子和一個記錄測試電池參數的端子。

（2）保護電路

鋰電池的保護功能通常由保護電路板和熱敏電阻PTC協同完成，保護板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環境下時刻準確的監視電芯的電壓和充放回路的電流，即時控制電流回路的通斷。保護板可實現電池組各單體電池的均充，有效地改善串聯充電方式下的充電效果。同時檢測電池組中各個單體電池的過壓、欠壓、過流、短路、過溫狀態，保護并延長電池使用壽命。

（3）外殼

鋰離子電池外殼的作用主要是起到保護鋰離子電池內部材料不受損害的作用，主要有鋼殼、鋁殼和鋁塑膜等材質。

2.手機電池的工作原理

鋰離子電池的工作原理分為充電和放電兩個過程。充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，通過電解質擴散到負極，并嵌入到負極晶格中，同時得到由外電路從正極流入的電子，放電過程則與之相反。

3.手機電池自身的安全保護措施

為了營造安全的工作條件，設計者們在設計之初便從手機電池的電壓、內部溫度和內部氣壓三個方面設計了其自身的安全保護措施，以提高電池的安全性能，主要包括以下幾個方面。

（1）防爆閥或防爆膜

防爆閥或防爆膜是指在電池殼體或上蓋特定部位設計的安全裝置。當電芯內部氣壓反常增加并超出正常范圍時，防爆閥或防爆膜就會變形爆開以釋放壓力，從而保護電芯不發生爆炸。

（2）機械連接

當電池內壓因異常而升高時，電流斷流裝置可切斷電池的正極引線使得電流斷開，從而達到保護的目的。

（3）隔膜遮斷

在鋰電池的隔膜中可設計電池在過充電、短路情況下的保護帶，從而作為安全保護措施。

（4）PTC元件

防爆閥或防爆膜、機械連接裝置以及隔膜一旦啟用電池則會報廢，因此，鋰電池中加入了一個可逆的安全裝置，即PTC元件。其處于引線斷路器和正極蓋之間，且跳閘溫度要低于隔膜切斷的溫度。

（5）PCB電路板

PCB電路板是一種防止電池過充、過放、短路等管理功能的電子線路，某些安全性比較好的手機電池的電路板上還設置有溫度保護、穩壓保護和穩流保護等，能夠全面的實現對手機電池的安全保護功能。

4.手機電池缺陷的危險性分析

對于手機電池來講，其充放電過程中伴隨著化學能和電能的轉換，此處從能量轉移的角度對手機電池的危險源進行辨識：

通過對手機電池內部結構及工作原理進行分析，熱能異常轉化路徑如下：a）電芯自身材料選擇及設計制造工藝缺陷，導致電芯原有的對手機電池的保護機制失效；b）外界環境高溫、電池材料熱穩定性缺陷、PCB電路板高溫以及散熱能力缺陷導致電芯內部的熱量積聚，內部溫度升高誘發化學反應放熱；c）超壽命使用等不良使用習慣，導致電芯內部有鋰枝晶產生或正負極塌陷，使得極化現象嚴重，大量電能向熱能異常轉化而誘發化學反應放熱。

手機電池的安全裝置主要包括防爆閥或防爆膜、電流遮斷裝置、隔膜切斷裝置、PTC元件和PCB電路板。此五種安全裝置同樣是手機電池故障的危險源。

手機電池外殼及電芯外殼材料的散熱能力、阻燃能力以及封裝質量是否合格至關重要，二者均應采用設計制作技術優良的防火防爆外殼。

手機電池的設計及制造工藝對于手機電池的安全性至關重要。另外，部分商家為追求高利益而生產的劣質電芯，會影響電芯的內部結構及材料的穩定性，使電池在工作過程中極易導致短路的發生。

此外，電池發生漏液，與制造工藝密切相關。例如手機電池的制造過程中，在焊接電池或電芯外殼時，由于焊接不牢固、不密封，有漏焊、虛焊，焊縫有裂縫、裂口等原因導致的電池或電芯外殼封裝不合格。而此類情況使得電池電芯失去保護，一旦出現漏液，便會導致極其嚴重的后果

使用者的危險行為是手機電池缺陷發生的一大原因。其中，針刺、擠壓以及撞擊等機械損傷不僅會導致電池短路，還容易造成電池漏液，使得能量意外釋放，導致危害的發生。另外，當電池超壽命使用時，電芯內部材料極易破損，熱穩定性降低，容易導致電池短路及產熱量增加，提高事故發生的概率。

手機電池的使用環境是必不可少的一個環節。其中，高溫環境不僅能夠為電芯的副反應提供熱量來源、降低手機電池的散熱能力、增加熱保護電路電子元器件的失效率，從而增加手機電池由于熱量積聚而導致的熱缺陷；還容易使得電芯內外出現壓力差，提高電池漏液缺陷發生的可能性。環境濕度過大會降低電池散熱能力且易導致漏電、短路現象的發生。此外，當手機電池長時間在低氣壓的條件下使用時，會增加電池漏液的危險。

因此，手機電池的缺陷主要表現在：手機電池固有的穩定性、手機電池缺陷的觸發因素、手機電池自身安全防護系統以及手機電池電芯故障后的防護系統四大類。所以，對于消費者在選用手機的時候，電池的穩定性和安全性也是必須要考慮的因素之一。通過本文的簡單分析，使大家對手機電池的危險產生根源有一個大概的認識，指導平時手機的使用，避免危險的出現。

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作者簡介：

雷振超，出生年月：1986.07，性別：男，民族：漢，籍貫：河南南陽，當前職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：通信.