一向因其能量高，放電穩(wěn)定而受到人們的青睞，也因此確立了其在通訊、電子設備領域的霸主地位。然而，近兩年來，卻先后發(fā)生多起手機、筆記本電腦爆炸事件，罪魁禍首正是鋰離子電池。這個診斷結(jié)果，把鋰離子電池推向了爭論的風口浪尖。好好的電池為啥突然會爆炸，甚至鬧出人命來呢?是使用不當還是電池本身有問題?無論怎么樣，鋰離子電池似乎已經(jīng)被冠上了疑似炸彈的惡名，我們到底該如何對待它呢?

爆炸要具備什么條件

為了弄清電池爆炸的原因，我們有必要先弄清楚到底什么是爆炸?

通常意義上的爆炸，一般是指火藥、瓦斯等的爆炸，人們對爆炸的印象總是轟然巨響，火光沖天。北京理工大學教授馮順山長期從事彈藥研究，他告訴記者，爆炸是化學反應在很短時間內(nèi)突然發(fā)生，并瞬間釋放出大量能量的過程。

容易引起爆炸的化學元素包括碳、氮、氧、氫、硫等，但是，僅有這些元素還不夠，假如是正常的舒緩的反應過程，不足以構(gòu)成爆炸。據(jù)專家介紹，爆炸必須要具備三個條件：反應過程能放出大量的熱，反應速度非?？?，并且要出現(xiàn)大量的氣體產(chǎn)物。比如，當炸藥受到足夠大的外能用途，如遭遇了猛烈撞擊或者是用雷管引爆時，就會在短時間內(nèi)突然發(fā)生劇烈的化學反應，出現(xiàn)高溫、高壓氣體，形成爆炸。

說起炸藥，人們總會立即想起TNT這個名字，這是一種烈性炸藥，一種帶苯環(huán)的有機化合物，學名叫做三硝基甲苯，通常狀態(tài)下，TNT呈黃色粉末或魚鱗片狀。每公斤TNT爆炸可出現(xiàn)420萬焦耳的能量，這能量足以毀掉一座橋梁或是一棟房子。

鋰離子電池具備了構(gòu)成爆炸的物質(zhì)條件嗎

對照形成爆炸所需的各種要素，來分析一下鋰離子電池內(nèi)部的成分與反應過程。鋰離子電池內(nèi)部到底包含什么化學物質(zhì)呢?它們足以形成爆炸嗎?

我國泰爾實驗室安全試驗部的專家劉偉介紹說，通常人們所說的手機鋰離子電池也叫電池組或電池包，它重要由電芯和保護電路組成，其中電芯由正負電極、電解質(zhì)、隔膜、外殼組成。

目前廣泛使用的正極材料是鈷酸鋰，鈷酸鋰在一定條件下會發(fā)生分解，分離出鋰離子，負極材料是石墨，分子結(jié)構(gòu)中有許多小空間，也就是鋰離子的儲藏格。電解液一般為混合的有機溶劑，其中常用的電解質(zhì)是一種叫六氟磷酸鋰的鹽。至于隔離膜的功能,重要是隔開正負極，防止兩極接觸引發(fā)短路，目前隔離膜的材料一般選用聚烯烴類的多孔高分子薄膜，薄膜上的微孔是為了讓鋰離子能夠自由通過。當對電池進行充電時，電池正極上的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極，嵌入到碳層的微孔中，負極嵌入的鋰離子越多，電池的充電容量越高。同樣道理，當對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。這樣就完成了一個鋰離子電池的充放電過程。

從電池的內(nèi)部元素來說，已經(jīng)包含了碳、氧及容易燃燒的電解質(zhì)等，這些物質(zhì)被密封在一個小的空間里，假如具備了一定的條件，完全可能因化學反應而放出巨大的熱量與氣體，就有可能會爆炸。

但并不是說，具備了這些要素，就一定會發(fā)生爆炸。哈爾濱工業(yè)大學應用化學系教授、鋰離子電池研究專家史鵬飛告訴記者，只有在一定的環(huán)境條件下，鋰離子、電解液、隔離膜之間會發(fā)生相互用途，出現(xiàn)復雜的變化情況，直至導致爆炸。

高溫為何可能帶來鋰離子電池爆炸

那么可以進一步追問，到底要什么樣的環(huán)境條件，電池內(nèi)部才出現(xiàn)異常情況呢?記者專門請教了我國科技大學火災科學國家重點實驗室的孫金華教授。孫教授介紹說，假如充電方法不當，鋰離子電池短時間內(nèi)會出現(xiàn)大量的熱量，就會爆炸。

針對孫金華的解釋，劉偉進一步補充介紹說，處于充電狀態(tài)的鋰離子電池正極材料，比如鈷酸鋰或是錳酸鋰，狀態(tài)不穩(wěn)定，會發(fā)生分解，高溫下會釋放出氧氣。放出的氧氣與電解液中的有機溶劑發(fā)生反應，出現(xiàn)許多熱量。另外，在一定的電壓用途下，溶劑及電解液本身也可能會發(fā)生反應，放出大量的熱，導致安全性問題。

這些熱量是怎么出現(xiàn)的?電池內(nèi)部到底發(fā)生了怎么樣的變化?我們用肉眼是看不見的。但研究者利用一定的技術手段，卻可以清晰地看到電池內(nèi)部的變化過程。我國科技大學的王青松博士利用先進的微量量熱儀對鋰離子電池的熱反應進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的正極活性物質(zhì)、負極活性物質(zhì)、電解液等在正常使用和濫用情況下都會發(fā)生放熱反應。

孫金華說，在放出熱量的同時，反應出現(xiàn)的氣體使體系內(nèi)部壓力不斷增大，引起電池的熱膨脹，在安全措施失效的情況下，就潛含爆炸的危險。

另外，手機長時間通話也會造成電池發(fā)熱，同時也造成內(nèi)部電路及聽筒發(fā)熱，假如恰好使用的是偽劣電池，則極易引發(fā)爆炸。有人會在手機充電時打電話，充電時手機電池本來就會出現(xiàn)熱量，假如我們再繼續(xù)用它打電話，那么熱量就會快速提升，很容易引發(fā)危險。

晶體劃破隔離膜導致內(nèi)部短路也能引爆

電池內(nèi)部的化學反應是一個緩慢的過程，由此導致的熱量積累也是一個逐步升高的過程。而在另一種情況下，熱量會瞬間突然新增，那就是短路。

正常情況下，電池內(nèi)部的隔離膜將正負兩極隔開，是不會形成短路的，不過，在過度充電的情況下，隔離膜有可能會被劃破，兩極就可能會接觸。

正負極之間的隔離膜是怎么樣被劃破的呢?劉偉介紹說，在過度充電的情況下，正極的鋰離子越來越少，都跑到負極去了，而負極的鋰離子則越來越多。到了一定程度時，負極的鋰離子會溢出，生成樹枝狀的晶體，晶體在電池內(nèi)部生長蔓延，然后劃破了隔離膜，直至與負極接觸，于是電池內(nèi)部出現(xiàn)了短路。這種短路因為是在電池內(nèi)發(fā)生的，因此可以叫內(nèi)部短路。這時，瞬間釋放出大量的熱，電解液沸騰了，轟的一聲就脹破了電池外殼。

擊穿現(xiàn)象不需導體便可導致短路

晶體劃破了隔離膜，實際上是扮演了導體的角色，連通了正負極。其實，即使中間沒有導體，在過度充電的情況下，正負兩極也可能會直接接觸，這種情況叫擊穿，同樣有可能會發(fā)生短路。

這里要對過度充電的概念作一下說明。所謂過度充電，有人認為就是超長時間的充電，實際上這是一種誤解。孫金華說，過充并不是指充電時間過長了，而是指電壓超過了鋰離子電池正常工作的范圍標準。一般來說，鋰離子電池的工作電壓是在3.7伏至4.2伏之間，在充電時，兩極的電壓會越來越高，假如到了4.2伏還繼續(xù)充電，那就是過度充電了。假如電壓高到一定的程度，就會形成擊穿。

據(jù)專家介紹，當兩極的電壓足夠高時，在強大的電場用途下，中間的絕緣物質(zhì)將失去其絕緣性能，成為導體，從而連接正負兩極，這就是電介質(zhì)擊穿。這其實不難理解，即使是在空氣中有兩個電極，假如電壓很大的話，那也可能會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，肉眼看上去就是形成了電火花。因此，當鋰離子電池兩極的電壓大到一定程度時，正負兩極完全可能直接相連，這其實是一種特殊的短路現(xiàn)象。

金屬屑連通正負極導致短路

在過度充電或放電的情況下，可能引發(fā)熱量積累或?qū)е露搪?，那么，假如什么也不做，就是在正常放置的情況下，鋰離子電池也會發(fā)生爆炸嗎?

答案是肯定的，危險同樣有可能會發(fā)生，日本這家公司的筆記本燃燒就是一個例子。當這家公司的電池發(fā)生爆炸之后，電池生產(chǎn)廠家起初一直保持沉默，三緘其口，后來在媒體的一再要求下，才不得不出面作出回應。廠家最后給出的解釋是，因為電池的電芯中含有金屬屑，結(jié)果引起了電池外部短路，所以才引發(fā)了爆炸。

生產(chǎn)商的解釋是否合理呢?電池本身在不充電、不放電的情況下也會發(fā)生短路?孫金華分析說，假如電芯里含有金屬屑，完全可能引發(fā)短路，即使在平常狀態(tài)下，也可能導致正負極連接上。

可見，電池的制作工藝也必須高度嚴格。假如制造工藝粗糙，裝配過程中出現(xiàn)的一些金屬毛刺、隔膜皺褶等均可留下隱患，一個不巧，就會讓正負兩極來個親密接觸。

給電池預留一個出氣口

針對電池內(nèi)壓增大的問題，鋰離子電池必須要有一種緩解內(nèi)壓的安全防范裝置，這就要提到泄壓閥。

泄壓閥是指在電池的外殼上設置的一塊比較薄的部分，它能夠有效地預防電池的意外爆裂，這就像高壓鍋的減壓閥相同。劉偉介紹道。

假如泄壓閥設計合理，那么當內(nèi)部氣體膨脹時，泄壓閥會適度打開，氣體可以從泄壓閥順利排出，同時帶出部分能量。假如泄壓閥設計不合理，當氣壓增大時就不會打開，那么內(nèi)部壓力逐漸增大，危險就逐漸新增，隨時會發(fā)生爆炸。

要注意的是，泄壓閥并不是越靈敏越好，假如它很容易就打開的話，外面的空氣就會進來。因為內(nèi)部的電解液沸點、熔點很低，很容易與空氣發(fā)生反應，這時，同樣會出現(xiàn)燃燒或者爆炸。

保險絲可以有效地防止短路

在日常生活中，有的手機已經(jīng)使用了很長時間，電池破損了還在使用，還有些年輕人喜歡將各種金屬掛件、鑰匙等與手機放在一起，豈不知這樣就留下了短路的隱患。另一種情況下，假如電池受到了碰撞或沖擊，那也可能碰巧造成電池內(nèi)部短路，同樣會發(fā)生爆炸。

短路問題非常令人頭痛，所以電池內(nèi)一定要保護電路。保護電路相當于日常電路中的保險絲。劉偉說，一個合格的保護電路應該具備這樣的功能：當檢測到充電電壓過高時，或當電池充滿電時，可以切斷充電回路。當檢測到電流或充電電流過大時，可以限制電流或切斷電流。

對手機和筆記本等使用鋰離子電池的產(chǎn)品，其內(nèi)部也應有充放電限制電路。例如YD/T1591《移動通信手持機充電器及接口技術要求和測試方法》中規(guī)定，手機應限制充電電流在規(guī)定的范圍內(nèi)，當手機檢測到充電電壓過高，應切斷充電回路。據(jù)了解，目前一些電池廠家正在研究多防護電路的鋰離子電池，新增電池的安全系數(shù)。

新一代鋰離子電池爆炸風險大大降低

由于液態(tài)電解質(zhì)容易放出熱量，一些電池生產(chǎn)廠家開始研究其他的電解質(zhì)來代替它。目前已經(jīng)研制成功的是聚合物鋰離子電池。

與鋰離子電池使用的液體電解質(zhì)不同，聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替，這種聚合物可以是干態(tài)的,也可以是膠態(tài)的,目前的產(chǎn)品大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。

由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì)，聚合物鋰離子電池不會發(fā)生漏液，燃燒爆炸等風險也大大降低。劉偉介紹說，聚合物鋰離子電池還可以采用高分子做正極材料，其能量將會比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50%以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比鋰離子電池有所提高。基于以上優(yōu)點，聚合物鋰離子電池被譽為下一代鋰離子電池。