手機充電爆炸，CEO慘死家中！電池危險怎麼辦？

來自專欄圓方未來

今年6月，馬來西亞搖籃基金私人有限公司CEO 納茲林，午休時在床邊給手機充電。手機電池因過熱爆炸並引發火災，納茲林頭部被嚴重炸傷，最終身亡。

近些年來，由鋰電池引發的爆炸事故頻頻發生。生活在現代，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、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。

我們每天都離不開的鋰電池，居然是個「定時炸彈」？

鋰電池到底為啥會爆炸？

想像一個炎夏的晌午，一台手機正靜靜躺在主人枕邊充電。

悶熱的天氣和持續的電流，讓機身的溫度不斷升高。

此刻，手機里的電池，感覺非常糟。它的體內，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，電池發生了短路，從而產生更多的熱量。

這一可怕的循壞在電池內部愈演愈烈，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，電池的外殼，在高溫和內壓的雙重作用下，鼓脹變形。

作為一塊電池，它即將迎來最糟糕的死法——爆炸。

它的爆炸，帶走了還在夢鄉的主人的性命。

一切都要從鋰電池的構造說起。

商用的鋰離子電池主要由四部分組成，分別是正極、負極、隔膜和電解液。

充電時，鋰離子從正極中出來，經過電解液，穿過隔膜到達負極，放電時則相反。於是，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極，防止短路的發生。

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

首先，電池內部的電解液含有大量有機物，比如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯。這些傢伙一個個都自帶燃爆屬性，臉上寫著「遠離火源」四個大字。

此外，一塊電池的正負極一旦短路，就會大量發熱，甚至產生火花。不少人小時候可能做過這樣的實驗：拿鐵絲把一節電池的正負極連起來，鐵絲會變燙，甚至可以拿來切泡沫，就是這麼個原理。

既然短路這麼危險，人們自然就想到要用個東西把正負極隔起來，於是就引入了隔膜。

然而，現代電池追求小體積，為了保證能量供給，正負極和電解液都不能少，那麼就只有去壓榨「不那麼重要」的隔膜體積了。於是，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，剛好接近一根頭髮的直徑。

這層薄膜一旦破損，問題就會很嚴重。2016年，三星Note 7電池火災就是因為隔膜太薄，容易被一些焊接毛刺壞，從而導致電池短路引發爆炸。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，這類現象叫做「枝晶」。

枝晶這個問題，算是一種寫在鋰電池「基因」里的病。因為動力學等因素，鋰電池在使用過程中，電極的表面會形成一些「小毛刺」，這些小毛刺就叫做」枝晶「。而且枝晶會越長越大，最終就會穿透隔膜，造成短路。

枝晶這種只有幾微米的小傢伙，曾經搞垮了一家電池領域的大公司。

1970年代後期，有一種使用金屬鋰作為電極的電池，可以在相同重量下，儲存比其他電池更多的電能，因而備受青睞。當時「大哥大」手機就是使用這種電池。持有這種技術的是一家名叫Moli Energy的加拿大公司。然而，這種電池問世不到半年，因枝晶問題發生了多起爆炸事故，被全球召回。盛極一時的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、暗流涌動的枝晶——整個電池就像是把「火藥桶」和「打火機」關在一個小屋子裡，然後用一層「保鮮膜」隔開，想想都很驚心動魄。

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，著名的華人科學家、斯坦福大學崔屹教授，率領團隊分別從隔膜、電解液、枝晶的角度入手，做了三項有趣的工作。

• 築起隔離的「石牆」

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（還真有點像保鮮膜），比較軟，容易破，受熱也會融化。既然弱，那就給它增強下吧。

崔屹團隊就提出，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」之間，二氧化硅隔膜的存在如同建起了一道「石牆」。

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是這種夾心結構側視圖，圖d是二氧化硅納米顆粒的微觀形貌 | 參考文獻[3] ，翻譯：圓的方塊。

• 配備「滅火器」

再有就是電解液。電解液可燃，那就想辦法讓它燒不起來吧。

於是，他們用特殊紡絲的方法做了一批中空的纖維，然後將阻燃劑密封在這些纖維內部，再用這些纖維編製成隔膜。

這樣一來，不僅能很好地隔開正負極，一旦發生起火，纖維的外殼受熱融化，就會釋放出裡面的阻燃劑，從而瞬間阻止燃燒蔓延。這相當於給「火藥桶」配了個「滅火器」。

• 蓋上「鍋蓋」

最後就是枝晶問題。你可以把枝晶想像成一個生長的小樹，隨著電池運行，小樹會越長越大，那就乾脆把它扼殺在萌芽里吧！

崔屹團隊採用的方法是在鋰電池電極上蓋一層球形碳殼。這些半球形的碳薄殼覆蓋在電池電極的表面，於是枝晶就長不起來了。這樣，就在「打火機」上蓋了個鍋蓋。

「建石牆」、「配滅火器」、「蓋鍋蓋」，這些從微觀層面所進行的材料設計，確實都能夠極大提升電池的壽命和安全性。

不過，這些先進的理念，還基本處於實驗室階段。若要切實改變我們身邊的這一塊塊電池，可能尚需時日。

現在呢，為了防止電池變「炸彈」，我們能做的就是防患於未然——避免手機、電腦過熱，電動車要經常注意保養，不購買和使用劣質充電器等等。

其實不論是電池防爆，抑或其他技術，都是在不斷地發現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，讓科學技術更多的造福於人類。

參考文獻：

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

本文首發於公眾號【我是科學家】