2010年，出門必帶現(xiàn)金

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2023年，出門必揣手機

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(fù)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(dāng)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mo用yu。

六邊形戰(zhàn)士演變成以安全為中心的“五邊形核心戰(zhàn)士”

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)：

鋰離子電池系統(tǒng)的構(gòu)成[1]

LiBs內(nèi)部一般由正極集流體和正極材料，電解液，隔膜，負(fù)極材料和負(fù)極集流體，墊片和外殼組成，整套系統(tǒng)還應(yīng)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(dǎo)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(yán)格地密封。如果我們不小心拆開手機電池，只能看見正負(fù)極集流體的極耳露在外面，用來傳導(dǎo)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。

常見的幾種鋰離子電池種類

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(yīng)導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(yán)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(dǎo)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(fù)極，導(dǎo)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(fù)極便會直接接觸，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，接著電池就會瞬間以超大電流放電，導(dǎo)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(dāng)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(fù)極擴散，伴隨著負(fù)極得到電子，鋰離子嵌進負(fù)極材料，負(fù)極電位隨之降低，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)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(xué)穩(wěn)定窗口的上限，負(fù)極電池不能低于電解液的電化學(xué)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(yīng)，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。

鋰離子電池充電時電極電位變化示意圖[2]

電池不能無限充電，還有一個原因是負(fù)極能容納鋰離子的空位是有限的，比如商用石墨負(fù)極的理論比容量是372mAh/g，實際比容量在350mAh/g左右。當(dāng)石墨負(fù)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(dāng)降低到0V對鋰時，鋰離子將直接獲取負(fù)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(dǎo)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(fù)極也會產(chǎn)生鋰枝晶刺穿隔膜的問題。低溫時，石墨負(fù)極嵌鋰速度變慢，若在動力學(xué)上小于鋰離子在電解液中擴散的速度，富集在負(fù)極表面的鋰離子可能直接和電子結(jié)合，在石墨負(fù)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(xué)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(xué)性能也更好。

實拍鋰枝晶刺穿隔膜

當(dāng)電池充滿時，或當(dāng)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(fù)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(xué)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(dāng)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(dāng)手機或電池嚴(yán)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. 可以給電池配備更好散熱和加熱系統(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，舉幾個栗子：

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(xué)窗口比較窄（1.23 V），正極和負(fù)極的選擇很少，導(dǎo)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(fēng)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(fù)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(fù)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。

全固態(tài)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成[5]

一起手搓電池！

想必在看的各位未來杰青、千人都已經(jīng)躍躍欲試，想要手搓電池了，那就趕快加入中國科學(xué)院物理研究所E01組（一起原），在這里打造屬于自己的電池提瓦特吧。

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。

所以各位旅行者，每日一問：你打開手機，是為了什么？

參考文獻

[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.

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