打破砂鍋問到底–#15.再論「烯王」的幾個未解之謎？
2017-01-04
根據知友從二手平台獲得烯王后，費心再分析內容如下，經同意後轉載：事實上該產品號稱全球發售後並未在官網、實體店或電商鋪貨（因為不實用、性價比低，下文解釋）。烯王使用 4節 18650 磷酸鐵鋰電池，電壓 3.2v，容量 1200mah，總容量 4800mah，總能量
3.2*1.2*4 = 15.36wh，可以看出，能量密度非常低。充放電速度確實接近 5C，因此烯王使用的是典型的功率型電池，充放電速度快，但能量密度很低。實際為電子產品充電測試時，發現該產品製造僅 5 個月，充電循環數次之後，容量就有非常顯著的下降，到我手上時，大約只剩原本的一半到三分之一。考慮磷酸鐵鋰電池的壽命優勢，相信是整體過充過放制設計有問題。實際對比了一些國產的 18650 鋰電池，達到 5C 的充電速度，完全可以做到更高的容量，或者說能量密度。而且根據上文的信息，我對烯王電池的壽命也存疑，較高的充電速度也可能導致了壽命的快速下降。
從產品的角度，這款充電寶實用性很差，因為太低的能量密度導致體積，重量都太大，很厚又缺乏便攜性，另外，16V5A 的充電電壓導致適配器很大。（幾乎和 thinkpad 45w 的適配器一樣大）當然，如此倉促拿出一個不成熟的石墨烯產品來忽悠國人，當然是司馬昭之心啰！還好，國人的眼睛是雪亮的，但被拖累的是像志陽這般實事求是的石墨烯廠家。
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2016-09-20
如果這篇報導屬實，東旭光電真該打屁股！文中指出 7 月 27 日，東旭光電發布公告稱，公司已經對「烯王」進行了技術檢測，並且有相應的《電池性能測試報告》，但暫時並未邀請第三方檢測機構檢測。那他們家的高管豈不是睜眼說瞎話嗎？「烯王」石墨烯基鋰電池兩年內無法量產 東旭光電復牌首跌！--電池中國-------------------------------------------------------------------------------------2016-09-17
回頭來探討三星 Note7 爆炸事件，Samsung 在回答為何 Galaxy Note 7 會有爆炸問題時指出，這個問題存在於「電芯 (battery cell)」，由於製造過程的瑕疵，導致陰極和陽極在接觸時，會出現電芯過熱的狀況。三星在回應這個問題的聲明中稱：「根據我們的調查，我們了解到電池存在隔離問題。一旦正負極接觸，電池過熱，就會導致非常罕見的製造流程錯誤。」國外媒體近日撰文探究了三星 Note 7 電池爆炸背後的原因。文章指出，為了滿足用戶對更長續航的需要，三星將 Note 7 的電池容量從 Note 5 的 3000mAh 增加到 3500mAh，反觀蘋果，iPhone 7 Plus 的電池容量只有 2900mAh，該公司增加電池續航的做法是通過優化軟體和晶元設計。
此外，三星旗下產品線普遍採用的快充技術，也在不斷挑戰電池材料和設計的物理極限，因此，Note 7 電池發生爆炸並不是偶然的，是三星當初的一些決定所種下的惡果。三星正在努力解決這一問題。儘管只收到了近 40 起 Note7 發生爆炸的報告，但該公司仍然計劃更換 250 萬部 Note7 —召回行動最多可造成 20 億美元的損失。今年 8 月份，三星在蘋果新一代 iPhone 問世前推出了 Note7。這本該是三星超越智能手機市場最大競爭對手的良機，但是事與願違，三星也正步入另一個重大危機的開始。
在過去短短几年，三星在旗下產品線都採用了「快充」（Quick Charge）—這是由高通開發的一項技術，其中就包括 Note7。利用專有的晶元、電路和軟體，這項技術可與特有充電器協同工作，以加快充電速度。儘管該技術讓快速充電成為現實—比前代的充電速度快 50 分鐘—但也在不斷挑戰電池技術的材料和設計的物理極限。
「快充」基本上就是解決電池壽命較短問題的一個方法。這是一項由電池壽命較短所驅動的功能，而不是人們真正所需要的東西。而快充技術將儘可能多的電量塞進了電池裡，越是不斷推動它的極限，潛在的安全問題就越多。極限條件下三種爆炸可能原因：
原因 1：陰陽兩極親密接觸陰極和陽極在接觸時，會出現電芯過熱的狀況，而 Note 7的爆炸元兇正是這個隔膜，隔膜出現了缺陷，才會使正負兩極發生親密接觸，電能直接流向中間的電解質而非兩側的電極。但電解質本身其實並不穩定，因此電離子移動中也會受干擾變得不穩定。當有大量熱量產生（無論是內部還是外部），電解質就有可能與其他物質發生化學反應，產生氣體並釋放更多熱量。如果這一過程沒能得到有效控制，就會產生「熱失控」現象，隨後等待電池的就是爆炸或起火。
原因 2：過度充電和充電過快
一般廠商會在設備中加入過熱關機機制的原因。不過這只是引起爆炸的一種原因，有時電池過度充電或充電過快也會引發危險。過度充電時，會有過多的鋰元素進入陽極。當然，廠商會設計自動防止電池產生過充，真正導致電池出問題的原因是製造商在生產過程中的疏忽，它們的電池電路出了問題，無法阻止過度充電。此外，充電過快也是造成爆炸的另一個原因。在短時間內向電池充入太多的電能必然會為電池帶來巨大壓力，如果電池發生短路，就會引起危險。
原因 3：高電壓
引起電池事故的另一個常見原因是高電壓，利用這種手法，廠商能讓電池存儲更多電能。電壓越高，電池裡存儲的電能就越多。所以，製造商試圖通過在電池中加入像鎳等元素使電壓升高。不過，電壓越高，電解質越容易產生化學反應，繼而導致起火或爆炸。從理論上來講，我們已經釋放了電池 90% 的潛力，即續航時間已經達到極限值近 90%。因此，各大廠商現在的努力都是在榨取電池的極限潛能。過去幾十年中，電池技術一直在不斷進化，但它始終趕不上人們的需求，不過廠商們必須銘記一個信條，那就是以安全為代價來滿足用戶需求終將砸了自己的腳。
這也是我們對這篇文章的苦主所擔憂的重點呀～不從容量密度的「治本」方式去做起，卻從「治標」的思維去操作，三星的殷鑒不遠不遠呀！
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2016-09-15
以 OPPO 先研發出來大電流快衝的思路是，充電變壓器端直接降壓到鋰電池充電所需的電壓、專用線材、增加觸點以達到大電流傳輸。把降壓發熱做到變壓器一端，手機少了一步降壓發熱的過程，充電快同時手機不熱。缺點是專用變壓器、專用線材、協議自己做的，你都得專門買。由此可見，這款烯王不適合作為動力電池。那這些 A 股上市公司北京市動力源科技股份有限公司、軍工企業中國人民解放軍第 1001 工廠（西安航光儀器廠）、汽車電商服務平台深圳市小喜樂享科技傳媒控股有限公司等六家應用型企業現場與東旭光電簽署戰略合作協議，難道不懂這個道理嗎？或許大家還沒看懂個中道理吧。
---------------------------------------------------------------------------------------2016-09-14
當我們不斷強調電池容量有多大時，是不是也同時忽略了電池的安全性呢？電池本身通常會有一塊保護電路的晶元，用來防止電池過充或過度放電。但 Galaxy
Note 7 日前被證實會起火爆炸，正表示電池發熱造成後續安全疑慮的問題仍未被有效解決。要了解為何鋰電池總是肇事，就要先知道鋰電池的構造。鋰電池兩端分為正負兩極，中間裝著電解液，電壓流經電解液，將鋰離子從一端帶到另外一端，這就是充電與放電的過程。原理動畫請參閱：[科普] | 動畫模擬鋰離子電池的充放電過程原理
這個過程通常不會有什麼問題，但當問題發生時，就會以非常快的速度產生極大的後果。至於會有什麼問題呢？常見的問題之一就是過度充電而導致電池過熱，甚至進一步使正極產生化學變化，最終可能起火燃燒或是爆炸。可別認為電池過熱只會發生在過度充電，同樣地，過度放電也會發生同樣意外，因為負極包含了氧化物，會與電解液產生化學反應，進而放熱。而劣質電池還可能因為有雜質跑進電解液中而導致上述反應。
目前使用的手機電池多為鋰電池，其爆炸原因歸根究底有三種情況：一是電池本身的原因，由於電極內部結構缺陷，使電池在供電過程中發生爆炸；二是長時間過充，大量的鋰離子在不利的情況或環境下可能瞬間放電，產生大量電流引起爆炸；三是電池內部短路，在高溫或者易燃物旁邊使用，容易引起爆炸。可別小看電池過熱這個問題，因為過熱會導致反應加速，一旦溫度持續飆升到 130℃ 甚至超過，就很有可能在你的口袋裡或是包包中起火燃燒。
電池發生爆炸都是由於電池內部瞬間溫升過快或內壓過高而引起。鋰離子電池是一個密閉的反應體系，在其內部存在系列電化學和化學反應。除了用於存儲和釋放電能的正常電極反應外，還存在許多潛在的副反應，如電解質溶液的還原和氧化分解、正極的熱分解等。當電池處於正常溫度範圍和正常電壓範圍時，這些副反應不會發生，電池內部僅發生正常的充電和放電反應，此時電池安全。但當電
池溫度過高，或者充電電壓過高時，這些副反應被觸發，產生大量的熱，並釋放出有機小分子氣體。
由於反應劇烈，產生的熱量不能有效傳遞到電池體外，引起電池內部溫度和壓力的急劇上升。而溫度的上升又會極大地加速副反應的進行速度，產生更大量的熱和氣體產物，此時電池進入無法控制的自加溫狀態，即俗稱的「熱失控」狀態，電池有可能發生爆炸。當然，電池是否發生爆炸與很多因素有關，如電池的荷電狀態、副反應的進行速度和發生程度、熱傳遞速度、安全閥開啟的靈敏度、外界環境溫度等，因此，並非所有進入到熱失控狀態的電池都會發生爆炸，但存在一定的機率性。
為什麼過充電、短路（包括內部短路和外部短路）、機械濫用條件（如擠壓、穿刺、振動、跌落等）和高溫熱衝擊等易引起電池爆炸呢？主要是這些因素容易觸發電池內部的危險性副反應。如過充電超過一定限度後，電解液勢必發生氧化分解，併產生大量的熱，導致電池內部溫度升高。當溫度上升至一定程度後（一般認為 130℃ 是一個危險界限），引發前面所述的系列放熱反應。當短路發生時，電池因以非常大的電流放電，其溫度也極易升至 130℃ 以上；而擠壓、穿刺、振動、跌落均可能導致電池發生短路現象，高溫熱衝擊則可使電池直接暴露在高溫環境下，因此均可能成為電池不安全行為的引發條件。備註：一般生產隔膜的材料為 PP 和 PE，常見 PE 的隔膜的閉孔溫度在 130℃ 左右，破膜溫度在 150℃ 左右；PP 隔膜的閉孔溫度在 145℃ 左右，破膜溫度在 170℃ 左右。
對於電池燃燒來說，其主要的引發原因是電解液所用溶劑具有易燃性，且閃點過低。所謂閃點就是可燃液體或固體能放出足量的蒸氣並在所在容器內的液體或固體表面處與空氣組成可燃混合物的最低溫度。在鋰離子電池電解液中，主要溶劑組分為有機碳酸酯類。如 DMC（二甲基碳酸酯）、EMC（乙基甲基碳酸酯）、DEC （二乙基碳酸酯）等，其閃點分別為: 17℃、23℃ 和 33℃，與汽油 -50～-20℃ 的閃點相比，高不了多少。另外，負極碳材料、隔膜和正極導電碳也具有可燃性。當電池處於如上所述的熱失控狀態時，電池內部的溫度和壓力均很高。
如果電池安全閥能夠及時開啟，或者電池採用非金屬的軟質材料為外殼時，電池往往不會發生爆炸。但因壓力很大，安全閥開啟或外殼破裂時，可燃性電解液蒸汽和有機小分子氣體以極快的速度噴出（有文獻認為速度為超音速），並與殼壁發生摩擦，摩擦產生的高溫足以點燃低閃點的可燃性氣體組分，導致電池燃燒。因此，電池發生燃燒的幾率高於電池發生爆炸的幾率，但電池爆炸必定伴隨著燃燒。此外，當電池開裂，並且外界環境的空氣濕度較高時，空氣中的水分容易與嵌有鋰的碳負極發生劇烈的化學反應，並放出大量的熱，也可以引起電池的燃燒。
言歸正傳，現在來談談今日的「苦主」。根據 DIGITIMES 最新報導，蘋果公司最近也在致力於升級電池充電技術，準備採用 15V 至 20V 的充電設備來提高電池效率，推動新的 IC 技術。不過 PWM IC 的設備提供方同樣也表示這需要承擔極大的風險。以傳統充電寶一般電壓在 3~4V、20000mA 以內，「烯王」倒是先選擇了電壓 16V、電流 5A，4800mAh 來實現不到 15 分鐘的快速充電。不過，從烯王外觀參數：高度 115mm、寬度 78mm、厚度 24mm，重量 270 克。特別的是，烯王的充電器和常規移動電源只配備一根 USB 連接線相比，烯王隨機搭載的是一個和移動電源重量相當的電源適配器 (重量為 270 克)，這能使得充電電壓和電流達到較高的 16V 和 5A。而普通的 USB 充電模式電壓只有 5V，若採用該模式，烯王仍然需要約 2.5 小時才能完成充電。那各位就可以清楚看出關鍵技術不在石墨烯，而是這顆「電源適配器」。簡單的說，還是 IC 管理的技術啦！
至於他們所謂：純度 99% 以上的單層石墨烯技術以及石墨烯包覆磷酸鐵鋰正極材料，是這款充電寶可以實現快速充電的原因。這些都是花招，從數據里看不出那裡有特別之處。好笑的是，東旭光電還展示了支撐產品的多項核心專利和 UN38.3（可充電型鋰電池操作規範）、CB（電工產品合格測試與認證）、GB（國際電工委員會產品測試與認證）、CCC（國家強制性產品認證）、凱威認證等權威資質認證，說是有力回應了市場上的質疑聲音！你真的把消費者當不懂嗎？不就是任何一家充電寶公司都拿得到相關認證嗎？這跟我們要求公布技術內容，解除大家對此產品之比容量及安全性的顧慮，你卻拿出產品一般性的驗證數據，豈不是在打馬虎眼嗎？
其次，我對他們提到充電溫度在 37℃ 感到懷疑！我指的是在電壓 16V、電流 5A，來實現不到 15 分鐘快速充電的條件下。快速充電速率一般在 1C 以上，5C 充電 (即 0.2 小時完成充電) 當然屬於所謂的「快速充電」。快速充電分「恆流充電」和「脈衝充電」兩種，恆流充電就是以恆定電流對電流充電，脈衝充電則是首先用脈衝電流對電池充電。然後讓電池放電，如此循環。電池脈衝的幅值很大、寬度很窄。通常放電脈衝的幅值為充電脈衝的 3 倍左右。
為了避免損壞電池，電池溫度過低時不能開始快速充電，電池溫度上升到規定數值後，必須立即停止快速充電。常用的溫度控制方法中有種稱為最高溫度（Tmax）的方法，就是在充電過程中，通常當電池溫度達到 45℃ 時，應立即停止快速充電。電池的溫度可通過與電池裝在一起的熱敏電阻來檢測。這種方法的缺點是熱敏電阻的響應時間較長，溫度檢測有一定滯後。
其實，烯王倒是比較像是「直充」，因為關鍵技術不是石墨烯，而是「電源適配器」。直充在市面的主要代表是 OPPO 的 VOOC 閃充，「充電 5 分鐘，通話兩小時」。基本原理是將充電發熱主要部件轉移到充電器中，由充電器直接輸出 4A 以上大電流給電池充電。同時需要 USB 線、手機 USB 口、內部走線、電池 PIN 腳均增加通道，減小阻抗和焦耳發熱。直充的優勢是輕鬆將充電速度提升而不引起手機發熱，缺點是充電器笨重且發熱嚴重。再就是充電配件通用性差，最明顯的就是換根普通 USB 線就不能快充了。有人把 OPPO 的直充充電器測試發熱溫度竟然高達 50℃，所以烯王標示 47℃ 應該差不多吧？
16W，分明功率是 OPPO 的 VOOC 的 5 倍，但溫度卻還要低，說甚麼我都不相信～
最後，為什麼他們在談快充時，絕口不談電池壽命？那快充會影響電池壽命嗎？答案是肯定的。即使部分快充手機上配備的電池在電芯材料與設計方面有所改進，能夠實現鋰離子在電池中快速的嵌入和嵌出，但大電壓和電流仍舊使電池產生損耗。以大疆無人機的鋰電池舉例，一塊 4480 mAh 68Wh 電壓為 15.2V 的鋰電池，充滿只需要 1.5h （相比之下 iPhone 6s
Plus 電池容量為 2750 mAh，電壓為 3.8V），但大疆無人機的鋰電池壽命只有 200 個循環，電池壽命的衰減顯而易見。反觀，「烯王」可以號稱做到 3500 個循環，要知道特斯拉電動汽車使用的電池標稱循環壽命是 1000 次，這還是在 1C 充放電環境下；在 5C 充放電環境下，應該比 1000 次低很多。比亞迪電動汽車使用的磷酸鐵鋰電池，標稱循環壽命是 2000 次，在 5C 充放電環境下也應該大大低於 2000 次。而充滿時間也只是大疆的 1╱6，過熱問題更為嚴重，我倒驚訝加了石墨烯竟然有這等功效，等會我也要去做一個充電寶給自己用用！反正自己用燒掉就算了，也不會被消費者一面倒地質疑吧。
備註：最後還有一個謎，就是在 270 克的烯王里，究竟是多少能量密度？這點我們會持續追蹤。推薦閱讀：