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电池为什么爆炸

时间:1477212714来源:合肥数据恢复 www.ahdisk.cn

电池推动了现代生活,从智能手机到电动车,很多科技装置都离不开电池。但电池是如何存储电力的?为什么它们总是用不了多长时间?在多起三星手机电池爆炸事件后,人们又面临着一个新问题:电池为什么会爆炸?怎么样才能让电池更耐用?更安全?

说电池寿命是一个“爆炸性”问题真的一点都不夸张,三星公司已经通过惨痛教训发现这一令人悲哀的事实。三星GalaxyNote7手机刚上市时因为电池寿命远超其竞争对手而备受称赞。可惜好景不长。全球陆续发生GalaxyNote7电池爆炸事件。三星被迫召回故障型号并推出退换计划,然而替换的新手机也开始爆炸,迫使三星全线停产。

这一事件只是改进电子设备电池性能的漫长道路上最新遭遇一个路障。处理器的性能快速提高,每18个月就翻一倍,然而电池的容量用了近10年才取得同等的进步。这种巨大差距开始导致问题,三星的教训再次说明这是一个难以攻克的技术挑战。

智能手机的电池通常不足以支撑一整天使用,笔记本电脑只能连续使用几个小时,电动车充满电后的行驶里程很难突破350英里(约563公里)。那么,为什么电池容量依然是一个如此棘手的问题,我们什么时候才能攻克它?

电池的构造与原理

电池就像装载化学能量的小型容器。当智能手机插入电源,电流引发电池内的化学反应,使电子从负极流向正极。

充电完成后,电池推动电子穿过回路(在此情况下就是智能手机)流向负极,直到电池中所有的电子都返回了负极,或者直到内置开关切断电源。

一块典型的电池通常包含负极、正极和电解质———即正离子流通的介质。

大多数智能手机和电子设备使用的锂离子电池含有一个钴、镍、锰或铁混合物制成的金属氧化正极、一个内部容纳锂离子的多孔石墨负极,以及锂盐电解质。

带正电的锂离子从负极经过电解质流向正极,驱动电子通过智能手机,再返回负极。

电池为什么不耐用

电池的原理也许很简单,但其中包含的技术却很复杂。而电池的最大局限是它们能量密度。

一块电池能够产生的电能多少取决于它的化学构件储存能量的多少。电池内的非活性材料都构成负担,这包括外壳、控制芯片、输出电流的缆线———它们只能增加重量,不能增加能量。

典型的智能手机锂离子电池的能量密度约150瓦特小时/千克(Wh/kg)。自从1990年诞生以来,锂离子电池的能量密度已经有所提高,但依然受构造和化学原理限制。

依靠现有技术,快速提高智能电池使用时间的唯一方法就是增加智能手机电子元件的能效,或者增加电池尺寸,然而越来越纤薄的智能手机要求更纤薄的电池。

在智能手机的服役期间,电池使用时间并不是恒定不变的,随着时间流逝和电池的反复充电和放电,电池使用时间变得越来越短。

这是因为,产生电流的化学反应会导致薄薄的一层锂沉积在电极上,从而导致可用于产生电流的锂离子数量减少,并导致电池内部电阻增加。

电阻越高,电池维持有效电压就越难,因此每次充电后输出的电力减少。你可能还记得中学学过的相关公式:

电压=电流x电阻(V=IR)

电池爆炸的原因

比锂离子电池能量密度大得多的电池已经存在,但都不够安全,因而不适合便携设备使用。

“你往盒子里塞入越多的能量,它就越危险,”伦敦帝国理工学院戴森工程设计学院讲师比利·吴(BillyWu)说,“安全是关键,温度管理至关重要。如果电池温度超过800摄氏度,就会导致‘热失控’,部件开始分解,进而导致爆炸。”

三星智能手机爆炸的具体原因尚不得而知,公司只透露是‘电池问题’导致。

电池技术的未来

在短期内,电池的进步将主要依靠不断将锂离子技术推向它们的理论极限,以此提高电池的能量密度。

一般使用锂锰氧化物的锂离子电池的能量密度为280瓦特小时/千克,但最终产品的实际能量密度只有150瓦特小时/千克,因此还存在很大的改进空间。

“关键在于优化电池内部结构,”比利·吴说,“电池内部是一个充满活性材料的多孔结构。”

“要实现更大的能量输出,需要增加结构的孔隙,从而增加表面积,每次允许更多的锂离子通过,但反过来,如果空隙增加,可容纳的活性材料相应减少,导致功率减少。

世界各地的众多企业都在研究更新、更先进的电池化学构成,比如锂-硫或锂-硅电池。

在更遥远的未来,固态电池可能变成现实。在这种电池中,液态的电解质被固体物质取代。这将在很大程度上提高电池的安全性。

吴解释说,“固态电池的主要优势在于,可以继续使用锂做负极材料。锂具有出色的能量密度,但和电解液配合使用存在安全隐患。”

据吴介绍,使用锌、锂或铝为主要材料的金属-空气电池同样被寄予厚望,但这种电池投入商业应用至少还需要20年。

如何延长电池寿命

一些简单的方法可以帮助延长电池的使用寿命。由于电池内的化学反应特性,在剩余电能不足20%的状态下放电或是在容量超过80%的状态下充电时对电池的损耗较大。

因此,让锂离子电池的电能保持在20%-80%的水平有助减少电池损耗,长时间维持电池的高电能容量。正在研发中的智能电源管理系统都是基于这一原理。

绝不要让手机保持长期充电状态,对于笔记本电脑尤其如此。定期充电、放电有助电池维持更好的工作状态。每个月充放一次就能有效延长电池使用寿命。

原载:https://www.theguardi-an.com/technology/2016/oct/10/samsung-how-batteries-work-smartphones-explode

原文:SamuelGibbs

编译:宇