科普:手機電池為啥會爆炸?锂電池工作原理

最近大家都在熱議三星Galaxy Note 7爆炸一事，其實不光三星手機，就連iPhone 都炸過，但別人家的手機不像三星這樣可以接二連三地爆炸。與此同時此事件順便也把锂電池安全炒到了沸點，不禁要問現在的智能手機真的要成為便攜式炸彈了嗎？

我們先來看一下锂電池工作原理：

充電的時候，在外加電場的影響下，正極材料LiCoO2分子裡面的锂元素脫離出來，變成帶正電荷的锂離子（Li），在電場力的作用下，從正極移動 到負極，與負極的碳原子發生化學反應，生成LiC6，於是從正極跑出來的锂離子就很“穩定”的嵌入到負極的石墨層狀結構當中。從正極跑出來轉移到負極的锂 離子越多，這個電池可以存儲的能量就越多。

放電的時候剛好相反，內部電場轉向，锂離子（Li）從負極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成钴酸锂分子（LiCoO2）。從負極跑出來轉移到正極的锂離子越多，這個電池可以釋放的能量就越多。

在每一次充放電循環過程中，锂離子（Li）充當了電能的搬運載體，周而復始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發生化學反應，將化學能 和電能相互轉換，實現了電荷的轉移，這就是“锂離子電池”的基本原理。由於電解質、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環過程中，並沒有電子在正負極之 間的來回移動，它們只參與電極的化學反應。

了解了锂電池的基本工作原理後，我們在返回來看看此次三星Note7的電池為什麼會爆炸。

在三星Note 7爆炸事件發生後，有權威專家（陳立桅）對爆炸電池進行了分析，稱這次電池爆炸並不是偶然，而是必然，只不過三星Note 7提前敲響了警鐘。並指出，在智能手機以超薄機身為主流設計的當下和智能手機續航成為最大的制約因素的雙重作用下，大部分廠商會暴力提升續航能力，在電池體積不變的情況下強行提升電池的體積能量密度，這樣導致的結果就是不得不采用了更薄的隔膜材料。

同樣一塊電池，如果隔離膜變薄，減少了這部分的體積，就能多裝一點點正極和負極材料，可以提升電池能量密度和手機的續航時間。但是，越薄的隔膜對工藝的要求越嚴格，稍微的質量瑕疵或電池工藝失誤都有可能造成隔膜缺陷，進而導致電池的短路。

同事專家還表示，手機廠商非常關注電池的體積能量密度。“幾乎所有廠商都在追求在有限的體積內裝進更多的電能，以延長續航能力。”

但是，業內共識，電池能量密度的提升需要一個長期的過程。專家解釋：“儲能行業和電子行業的發展規律有很大不同：後者是廣為人知的摩爾定律，集成電路芯片中可容納晶體管數目成指數增長，大約每18個月就能提高一倍；而電池性能的提升過程是台階形的，在現有電池材料基礎上，能量密度每年能有 2%—3%的提升已經相當不錯。” 因此，電子產品的性能提升與電池的能量密度提升之間存在一個剪刀差，並且隨著時間不斷擴大。

專家坦言，目前手機電池的能量密度已經逼近“極限”，廠商為了能在更小的體積內提供更多的能量，只能想方設法擠壓輔助材料所占的空間，給電池“瘦身”。可是，“瘦身”與“安全”在手機锂電池上卻難以兼得。

那麼問題來了，上文說的锂電池密度到底是什麼鬼？到底對電池行業的影響有多大？

電池密度其實就是電池的平均單位體積或質量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量 x 放電平台/電池厚度/電池寬度/電池長度。

可以說，能量密度是制約當前锂離子電池發展的最大瓶頸。不管是手機，還是電動汽車，人們都期待電池的能量密度能夠達到一個全新的量級，使得產品的續航時間或續航裡程不再成為困擾產品的主要因素。

針對能量密度成為瓶頸的現狀，全球各國都制訂了相關的電池產業政策目標，期望引領電池行業在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國政府或行業組織所 制定的2020年目標，基本上都指向300Wh/kg這一數值，相當於在當前的基礎上提升接近1倍。2030年的遠期目標，則要達到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業必須要有化學體系的重大突破，才有可能實現這一目標。