作者：圓的方塊

編輯：小柒

一個(gè)炎夏的晌午，一臺(tái)手機(jī)正靜靜躺在主人枕邊充電。

悶熱的天氣和持續(xù)的電流，讓機(jī)身的溫度不斷升高。

此刻，手機(jī)里的電池，感覺非常糟。它的體內(nèi)，有片叫做“ 隔膜 ”的部位正在被高溫漸漸融化。沒了隔膜的保護(hù)，電池發(fā)生了短路，從而產(chǎn)生更多的熱量。

這一可怕的循壞在電池內(nèi)部愈演愈烈，致使溫度陡升，甚至讓它腹中的電解液都開始沸騰。與此同時(shí)，電池的外殼，在高溫和內(nèi)壓的雙重作用下，鼓脹變形。

作為一塊電池，他即將迎來最糟糕的死法—— 爆炸 。

它的爆炸，帶走了還在夢鄉(xiāng)的年青主人的性命。

（今年6月，馬來西亞搖籃基金私人有限公司CEO ——納茲林，午休時(shí)在床邊給手機(jī)充電。手機(jī)電池因過熱爆炸 并 引發(fā)火災(zāi) ， 納茲林頭部被嚴(yán)重炸傷，最終身亡。這也是近期由手機(jī)電池爆炸造成的 最嚴(yán)重事故之一。圖片來源："The Star Online"YouTube截圖）

近些年來，由鋰電池引發(fā)的爆炸事故頻頻發(fā)生。生活在現(xiàn)代，但凡目力所及，總能看到些藏著電池的物件：低頭刷著的手機(jī)、不停敲擊的筆記本電腦、路邊停泊的汽車……都由鋰離子電池暗中供能。而對鋰離子電池安全隱患問題的討論，一直以來不絕于耳，畢竟這些電池生來就是“爆”脾氣。

鋰電池= “定時(shí)炸彈”？  為什么鋰電池會(huì)變身“定時(shí)炸彈”？這就要從鋰電池的構(gòu)造說起了。

商用的鋰離子電池主要由四部分組成，分別是 正極、負(fù)極、隔膜和電解液 。

（商用鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]，翻譯：圓的方塊）

充電時(shí)，鋰離子從正極中出來，經(jīng)過電解液，穿過隔膜到達(dá)負(fù)極，放電時(shí)則相反。于是，隨著電池的使用，鋰離子如同一輛公交車，攜帶著作為乘客的電荷們，不斷地在兩極間往返，完成充放電的功能。而隔膜的作用就是阻隔正負(fù)極，防止短路的發(fā)生。

這種四位一體的設(shè)計(jì)，給鋰離子電池帶來了巨大的成功，但卻也在多個(gè)方面埋下了隱患。

首先，電池內(nèi)部的電解液含有大量有機(jī)物，比如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯。這些家伙一個(gè)個(gè)都 自帶燃爆屬性 ，臉上寫著“遠(yuǎn)離火源”四個(gè)大字。

此外，一塊電池的正負(fù)極一旦短路，就會(huì)大量發(fā)熱，甚至產(chǎn)生火花。不少人小時(shí)候可能做過這樣的實(shí)驗(yàn)：拿鐵絲把一節(jié)電池的正負(fù)極連起來，鐵絲會(huì)變燙，甚至可以拿來切泡沫，就是這么個(gè)原理。

既然短路這么危險(xiǎn)，人們自然就想到要用個(gè)東西把正負(fù)極隔起來，于是就引入了隔膜。

（將電池正負(fù)極短路，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，甚至可以自制泡沫切割器，圖片來源：小強(qiáng)科普）

然而，現(xiàn)代電池追求小體積，為了保證能量供給，正負(fù)極和電解液都不能少，那么就只有去壓榨“不那么重要”的隔膜體積了。于是，電池隔膜被“削減”地越來越薄，主流的鋰離子電池隔膜厚度僅有20微米左右。也就是說， 兩片隔膜疊起來的厚度，剛好接近一根頭發(fā)的直徑 。

這層薄膜一旦破損，問題就會(huì)很嚴(yán)重。2016年，三星Note 7電池火災(zāi)就是因?yàn)楦裟ぬ。菀妆灰恍┖附用虊模瑥亩鴮?dǎo)致電池短路引發(fā)爆炸。聽起來，這些電池算是受了“工傷”了。

即便沒有這些焊接毛造成的“工傷”，電池本身也暗藏著刺穿隔膜的隱患，這類現(xiàn)象叫做“枝晶”。

枝晶這個(gè)問題，算是一種寫在鋰電池“基因”里的病。因?yàn)閯?dòng)力學(xué)等因素，鋰電池在使用過程中，電極的表面會(huì)形成一些“小毛刺”，這些小毛刺就叫做”枝晶“。而且枝晶會(huì)越長越大，最終就會(huì)穿透隔膜，造成短路。

（鋰枝晶的微觀照片，圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

枝晶這種只有幾微米的小家伙，曾經(jīng)搞垮了一家電池領(lǐng)域的大公司。

1970年代后期，有一種使用金屬鋰作為電極的電池，可以在相同重量下，儲(chǔ)存比其他電池更多的電能，因而備受青睞。當(dāng)時(shí)“大哥大”手機(jī)就是使用這種電池。持有這種技術(shù)的是一家名叫Moli Energy的加拿大公司。然而，這種電池問世不到半年，因枝晶問題發(fā)生了多起爆炸事故，被全球召回。盛極一時(shí)的Moli公司，從此一蹶不振，最終以被一家日本公司收購，草草離場。

超薄的隔膜、可燃的電解液、暗流涌動(dòng)的枝晶 ——整個(gè)電池就像是把“火藥桶”和“打火機(jī)”關(guān)在一個(gè)小屋子里，然后用一層“保鮮膜”隔開，想想都很驚心動(dòng)魄。

如何解決電池的安全問題？

 找到電池隱患的主要源頭，科學(xué)家們就開始著手解決電池的安全問題了。比如，著名的華人科學(xué)家、斯坦福大學(xué)崔屹教授，率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)分別從隔膜、電解液、枝晶的角度入手，做了三項(xiàng)有趣的工作。

（著名納米科學(xué)家崔屹教授，圖片來源：Ustcif.com）

首先是隔膜。普通的電池隔膜大多是高分子或者纖維素材料（還真有點(diǎn)像保鮮膜），比較軟，容易破，受熱也會(huì)融化。既然弱，那就給它增強(qiáng)下吧。

崔屹團(tuán)隊(duì)就提出，在隔膜中間加一層 二氧化硅納米顆粒 。 這些納米級的二氧化硅強(qiáng)度比較高，至少枝晶是刺不穿的，而且還耐高溫。如此一來，在“火藥桶”和“打火機(jī)”之間，二氧化硅隔膜的存在如同建起了一道“石墻”。

 

（通過在隔膜之中插入一層二氧化硅納米顆粒，可有效組織枝晶刺穿隔膜，圖c是這種夾心結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，圖d是二氧化硅納米顆粒的微觀形貌。圖片來源：參考文獻(xiàn)[3] ，翻譯：圓的方塊。）

再有就是電解液。電解液可燃，那就想辦法讓它燒不起來吧。

于是，他們用特殊紡絲的方法做了一批中空的纖維，然后將阻燃劑密封在這些纖維內(nèi)部，再用這些纖維編制成隔膜。

這樣一來，不僅能很好地隔開正負(fù)極，一旦發(fā)生起火，纖維的外殼受熱融化，就會(huì)釋放出里面的阻燃劑，從而瞬間阻止燃燒蔓延。這相當(dāng)于給“火藥桶”配了個(gè)“滅火器”。

 

（中空纖維在高溫時(shí)融化，釋放出里面的阻燃劑（圖AB中的綠色部分）。拿著火焰槍噴射，這種隔膜在0.7s內(nèi)也會(huì)停止燃燒。圖片來源：參考文獻(xiàn)[4] ，翻譯：圓的方塊。）

最后就是枝晶問題。你可以把枝晶想象成一個(gè)生長的小樹，隨著電池運(yùn)行，小樹會(huì)越長越大，那就干脆把它扼殺在萌芽里吧！

崔屹團(tuán)隊(duì)采用的方法是在鋰電池電極上蓋一層球形碳?xì)ぁ＿@些半球形的碳薄殼覆蓋在電池電極的表面，于是枝晶就長不起來了。這樣，就在“打火機(jī)”上蓋了個(gè)鍋蓋。

（圖cd中電極表面十分整潔，因?yàn)橥ㄟ^覆蓋一層碳?xì)けＷo(hù)，可以有效防止枝晶的生長，而沒有保護(hù)的圖ef中電極，表面布滿了針狀的枝晶，圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]，翻譯：圓的方塊。）

“建石墻”、“配滅火器”、“蓋鍋蓋” ，這些從微觀層面所進(jìn)行的材料設(shè)計(jì)，確實(shí)都能夠極大提升電池的壽命和安全性。

不過，這些先進(jìn)的理念，還基本處于實(shí)驗(yàn)室階段。若要切實(shí)改變我們身邊的這一塊塊電池，可能尚需時(shí)日。

現(xiàn)在呢，為了防止電池變“炸彈”，我們能做的就是防患于未然—— 避免手機(jī)、電腦過熱，電動(dòng)車要經(jīng)常注意保養(yǎng)，不購買和使用劣質(zhì)充電器等等 。

其實(shí)不論是電池防爆，抑或其他技術(shù)，都是在不斷地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程中得以提高和完善。我們需要做的就是兵來將擋、水來土掩，通過日積月累的改進(jìn)，讓科學(xué)技術(shù)更多的造福于人類

排版：小爽

題圖來源：參考文獻(xiàn)[1]

參考文獻(xiàn)：

[1]Science Advances, 2018, 4 (6), eaas9820.

[2]Chemical Society Reviews, 2013, 42(23), 9011-9034.

[3]Advanced Materials, 2017, 29(4),1603987.

[4]Science advances, 2017, 3(1), e1601978.

[5]Nature nanotechnology, 2014, 9(8), 618.

手機(jī)爆炸，CEO慘死家中，鋰電池因何化身“定時(shí)炸彈”？

圖文簡介

近些年來，由鋰電池引發(fā)的爆炸事故頻頻發(fā)生。為什么鋰電池會(huì)變身“定時(shí)炸彈”？這就要從鋰電池的構(gòu)造說起了。