日常使用手机需要注意哪些安全问题?

2010 年,出门必带现金

2020 年,出门必戴口罩

2023 年,出门必揣手机

无论办公还是解压,吃饭还是睡觉,一个人还是一堆人,手机都无时无刻地陪在我们身边。从形影不离的伙伴到威力十足的炸弹,手机真的绝对安全吗?赶着摸鱼的小伙伴可以快速划到下面寻找答案

电池威力有多大?

随着大家对手机续航能力的需求越来越高,手机电池的容量越来越大。而手机里所采用的是锂离子电池(Li-ion Batteries, 以下简称 LiBs),从小到耳机,大到电动汽车,再大到储能电站,LiBs 都扮演着非常重要的角色。

目前商用手机的的锂离子电池,正极主要选用钴酸锂,因为其体积能量密度最高,这样就可以在很小的手机里储存更多的能量,而负极一般选用层状石墨。目前大部分手机电池的平均输出电压大约是 3.7V,容量一般是 4000mAh,那么一个充满电的手机所蕴含的能量约为 14.8Wh,相当于 53kJ,也就是两个手雷的能量?!

虽然手雷机爆炸的概率很小很小,但谁也不想以这样的方式上新闻吧?所以评估一个电池的各项性能前,必须先评测它的安全性,这样消费者才可以放心使 mo 用 yu。

六边形战士演变成以安全为中心的“五边形核心战士”

电解液和隔膜安全吗?

无论是电芯,模组还是大型的储能模块,其实都是由一个个电池单元串并联组成的。其发生热失控的原因,和电池的基本构造和工作原理息息相关:

锂离子电池系统的构成 [1]

LiBs 内部一般由正极集流体和正极材料,电解液,隔膜,负极材料和负极集流体,垫片和外壳组成,整套系统还应包括外电路,先简单地假定由电源 / 用电器,开关组成,并用导线连通。

其中,LiBs 的电解液一般是易燃有毒的有机溶液,在高温下会发生分解,所以需要对电池进行严格地密封。如果我们不小心拆开手机电池,只能看见正负极集流体的极耳露在外面,用来传导外电路电子(而柱状电池将极耳直接焊在了外壳里面所以看不到)。此外,密封也可以保证电池在给压时,电解液不会发生泄漏,搞得到处都是。

常见的几种锂离子电池种类

因此,电池从材料上限制了它所工作的温度不能太高,不仅因为电解液容易分解,商用钴酸锂正极在高温下,晶格内部的氧气也会脱出,不仅损害电极结构,还会产生氧气,和电解液直接反应导致热失控,一般商用锂离子电池的工作温度不宜超过 55℃

所以,夏天当手机很烫的时候,就别再玩了,让它哪儿凉快哪儿呆着去

不仅在制造过程中,电池在工作时也要始终保持密封的状态,在发生碰撞,挤压等极端工况时,确保电池的密封性不受影响,当然,电池在出厂前就会进行一系列安全性测试。但是如果手机已经严重弯曲、变形,真舍不得换手机,也要换块电池,不然真就是握着俩手雷在兜里,你说刺激不刺激~

除了电解液,LiBs 的隔膜也是导致热失控主要原因之一。LiBs 的电解液和隔膜几乎电子绝缘,防止正极的电子直接跑到负极,导致内电路的直接放电。如果隔膜受损,比如隔膜被刺穿,电池在加压状态下,正负极便会直接接触,导致电池内部短路,接着电池就会瞬间以超大电流放电,导致电池发生热失控。

所以电池在制造和使用中必须要保证:电子只能走外电路,离子只能走内电路,二者同时移动,形成闭合回路。

电池可以无限充电吗?

当 LiBs 充电时,正极材料失去电子,锂离子脱出,正极电位随之升高。在电场驱动下,锂离子在电解液中向负极扩散,伴随着负极得到电子,锂离子嵌进负极材料,负极电位随之降低电能转化为化学能的形式储存在电池中。

但是电池不能无限充电,因为正极电位不能超过电解液的电化学稳定窗口的上限,负极电池不能低于电解液的电化学稳定窗口的下限,否则解液的成分会和电极发生氧化还原反应,造成电解液的分解。而电解液的分解将会产生易燃或助燃的气体,使得电池胀包变形,同时产生热量,从而造成热失控

锂离子电池充电时电极电位变化示意图 [2]

电池不能无限充电,还有一个原因是负极能容纳锂离子的空位是有限的,比如商用石墨负极的理论比容量是 372mAh / g,实际比容量在 350mAh / g 左右。当石墨负极的空位已经被锂离子填满后,扩散过来的锂离子只能聚集在石墨的表面。如果继续充电,使得石墨电位(最低嵌锂电位约为 0.1V 对锂)继续降低,当降低到 0V 对锂时,锂离子将直接获取负极的电子,在石墨表面还原生成金属锂(枝晶),不规则的锂沉积会刺穿隔膜,导致电池短路,进而引发热失控事件。

除了过充,低温下电池充电时,石墨负极也会产生锂枝晶刺穿隔膜的问题。低温时,石墨负极嵌锂速度变慢,若在动力学上小于锂离子在电解液中扩散的速度,富集在负极表面的锂离子可能直接和电子结合,在石墨负极表面不规则沉积,形成锂枝晶。尤其是在低温下快充时,对电极内部的动力学扩散速度提出了更高要求,更容易发生锂沉积的现象。所以 LiBs 的使用温度一般要超过-20℃。而且都-20℃了,拿在手上不如先把手机放嘎子窝里暖和暖和。

结合之前的温度,LiBs 工作的温度区间在-20~55℃会更安全,而且电池的动力学性能也更好。

实拍锂枝晶刺穿隔膜

当电池充满时,或当电池处于荷电状态(SOC>0%)下,连通外电路,电池会自发地放电,发生和充电时刚好相反的过程。负极电位升高,正极电位降低,像 U 型管两端的水位一样向中间靠近(但是不会持平)。电池将电极的化学能转化成电能(和热能),为外电路供电。电池放电是一个自发的过程,就像瀑布“飞流直下三千尺”,你的手机还没怎么玩就提示 10%

当然,生产厂商在设计电池的时候,就已经进行了各种安全性的防护和测试,保证我们在正常使用,或者偶尔过度使用时,不会出现问题,比如充停止充电,高低温时自动关机,防爆测试等等,这样我们在使用手机时,也不用一直提心吊胆。不过,要想杜绝这种危险发生在我们身边,还是要注意以下几点:

  • 使用正规厂商生产的电池,最好是原厂

  • 当手机或电池严重变形,及时更换电池

  • 不要在高温或者低温下持续使用电池

  • 可以给电池配备更好散热和加热系统

  • 不要过度充电或放电

  • 从根源上:少玩手机

更安全的电池?

除此之外,要想获得一个更加安全的锂离子电池,我们还可以在材料设计上有很多手段,举几个栗子:

钴酸锂正极稳定性不够,就换正极。使用更加稳定安全的正极 —— 磷酸铁锂结构稳定性更高,在 800℃下才会发生分解,且循环寿命也更长,正常使用下可达 10 年之久。除此之外,磷酸铁锂不含贵金属,成本也更低,适用于对能量密度要求不高的许多场景。

有机电解液不稳定,就换电解液。使用更加稳定安全的电解液 —— 水系电解液:将电解液的溶剂替换成水,水本身是无毒不可燃的,甚至有时可以阻燃。但是之所以水系锂离子电池没有纳入商用体系,是因为纯水的电化学窗口比较窄(1.23 V),正极和负极的选择很少,导致输出电压和能量密度较低。但是,其安全性不容置疑,对于未来大型的风光一体储电站,水系电池有望占据一席之地。

隔膜强度不够,就换隔膜?直接去掉隔膜!采用全固态锂离子电池,将液态电解液和隔膜换成固态电解质,替换了可燃物,使得电池在本质上是安全的。固态锂离子电池目前正在迅猛发展,各大电动车企争先布局。

由于正极、电解质和负极都是固态,固固界面较差的机械接触是一个需要解决的问题,但是固态电池可以采用能量密度更高的金属锂作为负极,采用稳定可靠的固态电解质,使得锂电池的能量密度和安全性能再次提升,是未来动力电池的有力竞争者。

全固态锂离子电池的结构组成 [5]

一起手搓电池!

想必在看的各位未来杰青、千人都已经跃跃欲试,想要手搓电池了,那就赶快加入中国科学院物理研究所 E01 组(一起原),在这里打造属于自己的电池提瓦特吧。

最后,没有绝对的安全,只有绝对的安全意识。不过最安全的,还是少玩手机。希望各位可以正确地使用手机,而不是像小编一样,成为手机的玩伴。

所以各位旅行者,每日一问:你打开手机,是为了什么?

参考文献

  • [1] Goodenough J B, Park K-S.The Li-Ion Rechargeable Battery: A Perspective[J].Journal of the American Chemical Society,2013, 135 (4): 1167-1176.

  • [2] Goodenough J B, Kim Y.Challenges for Rechargeable Li Batteries[J].Chemistry of Materials,2010, 22 (3): 587-603.

  • [3] Doughty D H, Roth E P.A General Discussion of Li Ion Battery Safety[J].The Electrochemical Society Interface,2012, 21 (2): 37.

  • [4] Armand M, Tarascon J M.Building better batteries[J].Nature,2008, 451 (7179): 652-657.

  • [5] Janek J, Zeier W G.Challenges in speeding up solid-state battery development[J].Nature Energy,2023, 8 (3): 230-240.

本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:TT

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