鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1889次 | 2018年10月15日
詳解鋰電池為何會著火
筆者編譯了美國IT網(wǎng)站PCWorld的文章,其詳細(xì)闡述了移動(dòng)設(shè)備所使用的鋰電池的原理、缺陷以及未來發(fā)展趨勢。
化學(xué)原理
移動(dòng)設(shè)備中使用的電池是化學(xué)工程的杰作:將大量的電量存儲在一個(gè)小小的方塊中,就可以讓移動(dòng)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行好幾個(gè)小時(shí)。它是怎么工作的?如何才能發(fā)揮它的最大效用?
現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備多數(shù)都使用鋰電池,主要包含兩個(gè)部分:一對電極和存在于它們之間的電解液。電極的材料有很多種,可以是鋰,也可以是石墨,甚至可以是納米線,但無一例外都要依賴鋰這種化學(xué)成分。這是一種活性金屬,因此容易與其他元素合成。純鋰的活性極高,甚至?xí)诳諝庵凶匀?,所以多?shù)電池都使用更加安全的鈷酸鋰。
兩個(gè)電極之間是電解液,通常是一種液態(tài)有機(jī)溶劑,使得電子可以在其中流動(dòng)。當(dāng)鋰電池充電時(shí),鈷酸鋰分子可以俘獲電子,然后在電池使用過程中釋放電子,從而支持手機(jī)的運(yùn)行。
鋰電池是最常見的一種電池,因?yàn)樗梢栽谧钚〉目臻g內(nèi)存儲最多的電量。這需要通過能量密度來衡量,也就是每千克電池所能存儲的電量,以瓦時(shí)(wh)為單位。鋰電池的能量密度一般在150至250瓦時(shí)/千克之間,而鎳氫電池僅為100瓦時(shí)/千克。換句話說,鋰電池比其他類型的電池更小、更輕,因此能夠壓縮設(shè)備的體積,但依然可以保持較長的電池續(xù)航時(shí)間。
上述化學(xué)過程可以歸納如下:設(shè)備中的電池可以存儲電量,之后,內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)便會以任何可能的方式釋放電量。但這同樣會出現(xiàn)問題,例如,最新的波音787夢想客機(jī)的電池就會在飛機(jī)??繒r(shí)出現(xiàn)著火故障。
這是鋰電池的缺陷之一:倘若電池放電過度,內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)便會分解,生成過量的氧化鋰,從而燃燒,并生成更多的氧化鋰,如此反復(fù)?;瘜W(xué)家稱之為“熱失控”,普通人看到的是著火,這也是波音787被美國特種管理局(FAA)禁飛的原因。由于電池被刺破后也會發(fā)生同樣的情況,因此美國運(yùn)輸安全管理局(TSA)建議飛機(jī)乘客將電池小心放置于隨身行李中,而不要托運(yùn)。
電池容量
電池容量的單位是毫安時(shí)(mAh),代表的是一塊電池所能提供的整體電量。例如,倘若一塊電池容量為1000毫安時(shí),便可以在1小時(shí)內(nèi)持續(xù)供應(yīng)1000毫安的電流。如果你的設(shè)備電流為500毫安,那么這塊電池的使用時(shí)間大約為2小時(shí)。
不過,一款設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間要更加復(fù)雜一些,因?yàn)樘囟ㄔO(shè)備的具體耗電量取決于它所執(zhí)行的任務(wù)。倘若這款設(shè)備的屏幕點(diǎn)亮、無線傳輸功能開啟、處理器全速運(yùn)行,便會比屏幕關(guān)閉、無線傳輸功能關(guān)閉、處理器閑置時(shí)消耗更多的電量。
正因如此,消費(fèi)者應(yīng)當(dāng)更加謹(jǐn)慎地對待廠商宣稱的電池續(xù)航時(shí)間——他們可能會通過調(diào)低屏幕亮度,或是關(guān)閉部分組件的方式來延長續(xù)航時(shí)間。如果你感到好奇,可以使用一些專門的應(yīng)用來監(jiān)測移動(dòng)設(shè)備的耗電量和電池狀態(tài),Android中的BatteryMonitorWidget和iOS中的BaterryLifePro都可以實(shí)現(xiàn)。
控制電流
由于有可能著火,所以必須對鋰電池進(jìn)行嚴(yán)密控制。電池廠商通過充電控制器來管理電流,從而實(shí)現(xiàn)這一目的。事實(shí)上,每一塊電池都內(nèi)置有一臺小型電腦來防止其過度放電。這個(gè)組件還可以控制充電期間進(jìn)入到電池中的電流,在即將充滿時(shí)放緩電流,避免過度充電。
為了展示這一過程,我們對三星GalaxyNote手機(jī)進(jìn)行了充電,并測量了整個(gè)過程中的電流,而且與對應(yīng)的電量比例進(jìn)行了對比。從上圖可以看出,充電初期的電流最高,之后逐漸降低。最后一部分電量的充電時(shí)間很長,原因是控制器在放緩電流,避免電池過沖。
未來發(fā)展
電池技術(shù)一直在進(jìn)步,全球各地的很多實(shí)驗(yàn)室都在研究新的電池技術(shù),以便取代鋰電池,或是開發(fā)更高級的鋰電池技術(shù)。
在這些新技術(shù)中,很多都用到了超級電容,從而在瞬間存儲電量,然后瞬間釋放,效果類似于閃光燈。由于幾乎不涉及化學(xué)反應(yīng),超級電容可以大幅加快充電時(shí)間,但目前的超級電容只能在一瞬間釋放電量,不符合多數(shù)移動(dòng)設(shè)備的要求。
能夠利用氫元素發(fā)電的燃料電池也將很快誕生。今年1月的拉斯維加斯國際消費(fèi)電子展(CES)上展示的Nectar燃料電池系統(tǒng)可以使用10美元的燃料桶來支持手機(jī)運(yùn)行兩個(gè)星期。然而,燃料電池的體積還不夠小,無法安裝在手機(jī)中——Nectar系統(tǒng)只能為手機(jī)內(nèi)置的鋰電池充電,但卻無法取代鋰電池。
硫磺最終也有可能用到鋰電池中。美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家最近就開發(fā)了一種電池技術(shù),可以利用納米技術(shù)將硫磺加入到現(xiàn)有的化學(xué)成分中,最高能將鋰電池的能量密度提升5倍,而且還能延長使用壽命。不過,這種技術(shù)無法在幾年內(nèi)投入市場。
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