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日常使用手機需要注意哪些安全問題?

2023-11-09 來源:科普中國

無論辦公還是解壓,吃飯還是睡覺,一個人還是一堆人,手機都無時無刻地陪在我們身邊。從形影不離的伙伴到威力十足的炸彈,手機真的絕對安全嗎?趕著摸魚的小伙伴可以快速劃到下面尋找答案。

電池威力有多大?

隨著大家對手機續(xù)航能力的需求越來越高,手機電池的容量越來越大。而手機里所采用的是鋰離子電池(Li-ion Batteries,以下簡稱LiBs),從小到耳機,大到電動汽車,再大到儲能電站,LiBs都扮演著非常重要的角色。

目前商用手機的的鋰離子電池,正極主要選用鈷酸鋰,因為其體積能量密度最高,這樣就可以在很小的手機里儲存更多的能量,而負極一般選用層狀石墨。目前大部分手機電池的平均輸出電壓大約是3.7V,容量一般是4000mAh,那么一個充滿電的手機所蘊含的能量約為14.8Wh,相當于53kJ,也就是兩個手雷的能量?!

雖然手雷機爆炸的概率很小很小,但誰也不想以這樣的方式上新聞吧?所以評估一個電池的各項性能前,必須先評測它的安全性,這樣消費者才可以放心使用。

電解液和隔膜安全嗎?

無論是電芯,模組還是大型的儲能模塊,其實都是由一個個電池單元串并聯(lián)組成的。其發(fā)生熱失控的原因,和電池的基本構(gòu)造和工作原理息息相關(guān):

LiBs內(nèi)部一般由正極集流體和正極材料、電解液、隔膜、負極材料和負極集流體、墊片和外殼組成,整套系統(tǒng)還應包括外電路,先簡單地假定由電源/用電器、開關(guān)組成,并用導線連通。

其中,LiBs的電解液一般是易燃有毒的有機溶液,在高溫下會發(fā)生分解,所以需要對電池進行嚴格地密封。如果我們不小心拆開手機,取出了里面的電池,只能看見正負極集流體的極耳露在外面,用來傳導外電路電子(而柱狀電池將極耳直接焊在了外殼里面所以看不到)。此外,密封也可以保證電池在給壓時,電解液不會發(fā)生泄漏,搞得到處都是。

因此,電池從材料上限制了它所工作的溫度不能太高,不僅因為電解液容易分解,商用鈷酸鋰正極在高溫下,晶格內(nèi)部的氧氣也會脫出,不僅損害電極結(jié)構(gòu),還會產(chǎn)生氧氣,和電解液直接反應導致熱失控,一般商用鋰離子電池的工作溫度不宜超過55℃。

所以,夏天當手機很燙的時候,就別再玩了,讓它哪兒涼快哪兒呆著去。

不僅在制造過程中,電池在工作時也要始終保持密封的狀態(tài),在發(fā)生碰撞,擠壓等極端工況時,確保電池的密封性不受影響,當然,電池在出廠前就會進行一系列安全性測試。但是如果手機已經(jīng)嚴重彎曲、變形,真舍不得換手機,也要換塊電池,不然真就是握著倆手雷在兜里,你說刺激不刺激~

除了電解液,LiBs的隔膜也是導致熱失控主要原因之一。LiBs的電解液和隔膜幾乎電子絕緣,防止正極的電子直接跑到負極,導致內(nèi)電路的直接放電。如果隔膜受損,比如隔膜被刺穿,電池在加壓狀態(tài)下,正負極便會直接接觸,導致電池內(nèi)部短路,接著電池就會瞬間以超大電流放電,導致電池發(fā)生熱失控。

所以電池在制造和使用中必須要保證:電子只能走外電路,離子只能走內(nèi)電路,二者同時移動,形成閉合回路。

電池可以無限充電嗎?

當LiBs充電時,正極材料失去電子,鋰離子脫出,正極電位隨之升高。在電場驅(qū)動下,鋰離子在電解液中向負極擴散,伴隨著負極得到電子,鋰離子嵌進負極材料,負極電位隨之降低,電能轉(zhuǎn)化為化學能的形式儲存在電池中。

但是電池不能無限充電,因為正極電位不能超過電解液的電化學穩(wěn)定窗口的上限,負極電池不能低于電解液的電化學穩(wěn)定窗口的下限,否則電解液的成分會和電極發(fā)生氧化還原反應,造成電解液的分解。而電解液的分解將會產(chǎn)生易燃或助燃的氣體,使得電池脹包變形,同時產(chǎn)生熱量,從而造成熱失控。

電池不能無限充電,還有一個原因是負極能容納鋰離子的空位是有限的,比如商用石墨負極的理論比容量是372mAh/g,實際比容量在350mAh/g左右。當石墨負極的空位已經(jīng)被鋰離子填滿后,擴散過來的鋰離子只能聚集在石墨的表面。如果繼續(xù)充電,使得石墨電位(最低嵌鋰電位約為0.1V對鋰)繼續(xù)降低,當降低到0V對鋰時,鋰離子將直接獲取負極的電子,在石墨表面還原生成金屬鋰(枝晶),不規(guī)則的鋰沉積會刺穿隔膜,導致電池短路,進而引發(fā)熱失控事件。

除了過充,低溫下電池充電時,石墨負極也會產(chǎn)生鋰枝晶刺穿隔膜的問題。低溫時,石墨負極嵌鋰速度變慢,若在動力學上小于鋰離子在電解液中擴散的速度,富集在負極表面的鋰離子可能直接和電子結(jié)合,在石墨負極表面不規(guī)則沉積,形成鋰枝晶。尤其是在低溫下快充時,對電極內(nèi)部的動力學擴散速度提出了更高要求,更容易發(fā)生鋰沉積的現(xiàn)象。所以LiBs的使用溫度一般要超過-20℃。而且都-20℃了,拿在手上不如先把手機放嘎子窩里暖和暖和。

結(jié)合之前的溫度,LiBs工作的溫度區(qū)間在-20~55℃會更安全,而且電池的動力學性能也更好。

當電池充滿時,或當電池處于荷電狀態(tài)(SOC>0%)下,連通外電路,電池會自發(fā)地放電,發(fā)生和充電時剛好相反的過程。負極電位升高,正極電位降低,像U型管兩端的水位一樣向中間靠近(但是不會持平)。電池將電極的化學能轉(zhuǎn)化成電能(和熱能),為外電路供電。電池放電是一個自發(fā)的過程,就像瀑布“飛流直下三千尺”,你的手機還沒怎么玩就提示10%。

當然,生產(chǎn)廠商在設(shè)計電池的時候,就已經(jīng)進行了各種安全性的防護和測試,保證我們在正常使用,或者偶爾過度使用時,不會出現(xiàn)問題,比如過充停止充電,高低溫時自動關(guān)機,防爆測試等,這樣我們在使用手機時,也不用一直提心吊膽。不過,要想杜絕這種危險發(fā)生在我們身邊,還是要注意以下幾點:

1.使用正規(guī)廠商生產(chǎn)的電池,最好是原廠

2.當手機或電池嚴重變形,及時更換電池

3.不要在高溫或者低溫下持續(xù)使用電池

4.可以給手機配備更好的散熱和加熱系統(tǒng)

5.不要過度充電或放電

6.從根源上:少玩手機

更安全的電池?

除此之外,要想獲得一個更加安全的鋰離子電池,我們還可以在材料設(shè)計上有很多手段,舉幾個例子:

鈷酸鋰正極穩(wěn)定性不夠,就換正極。使用更加穩(wěn)定安全的正極——磷酸鐵鋰:結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高,在800℃下才會發(fā)生分解,且循環(huán)壽命也更長,正常使用下可達10年之久。除此之外,磷酸鐵鋰不含貴金屬,成本也更低,適用于對能量密度要求不高的許多場景。

有機電解液不穩(wěn)定,就換電解液。使用更加穩(wěn)定安全的電解液——水系電解液:將電解液的溶劑替換成水,水本身是無毒不可燃的,甚至有時可以阻燃。但是之所以水系鋰離子電池沒有納入商用體系,是因為純水的電化學窗口比較窄(1.23 V),正極和負極的選擇很少,導致輸出電壓和能量密度較低。但是,其安全性不容置疑,對于未來大型的風光一體儲電站,水系電池有望占據(jù)一席之地。

隔膜強度不夠,就換隔膜?直接去掉隔膜!采用全固態(tài)鋰離子電池,將液態(tài)電解液和隔膜換成固態(tài)電解質(zhì),替換了可燃物,使得電池在本質(zhì)上是安全的。固態(tài)鋰離子電池目前正在迅猛發(fā)展,各大電動車企爭先布局。

由于正極、電解質(zhì)和負極都是固態(tài),固固界面較差的機械接觸是一個需要解決的問題,但是固態(tài)電池可以采用能量密度更高的金屬鋰作為負極,采用穩(wěn)定可靠的固態(tài)電解質(zhì),使得鋰電池的能量密度和安全性能再次提升,是未來動力電池的有力競爭者。

最后,沒有絕對的安全,只有絕對的安全意識。不過最安全的,還是少玩手機。希望各位可以正確地使用手機,而不是像小編一樣,成為手機的玩伴。

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責任編輯:栗子