日常使用手机需要注意哪些安全问题？你和你的家人中招了几个！

浅忆╮

2010 年，出门必带现金，2020 年，出门必戴口罩，2023 年，出门必揣手机。


无论办公还是解压，吃饭还是睡觉，一个人还是一堆人，手机都无时无刻地陪在我们身边。从形影不离的伙伴到威力十足的**，手机真的绝对安全吗？赶着摸鱼的小伙伴可以快速划到下面寻找答案。


电池威力有多大？


随着大家对手机续航能力的需求越来越高，手机电池的容量越来越大。而手机里所采用的是锂离子电池（Li-ion Batteries, 以下简称 LiBs），从小到耳机，大到电动汽车，再大到储能电站，LiBs 都扮演着非常重要的角色。


目前商用手机的的锂离子电池，正极主要选用钴酸锂，因为其体积能量密度最高，这样就可以在很小的手机里储存更多的能量，而负极一般选用层状石墨。目前大部分手机电池的平均输出电压大约是 3.7V，容量一般是 4000mAh，那么一个充满电的手机所蕴含的能量约为 14.8Wh，相当于 53kJ，也就是两个**的能量？！


虽然**机爆炸的概率很小很小，但谁也不想以这样的方式上新闻吧？所以评估一个电池的各项性能前，必须先评测它的安全性，这样消费者才可以放心使用。

六边形战士演变成以安全为中心的“五边形核心战士”


电解液和隔膜安全吗？


无论是电芯，模组还是大型的储能模块，其实都是由一个个电池单元串并联组成的。其发生热失控的原因，和电池的基本构造和工作原理息息相关：



锂离子电池系统的构成[1]


LiBs 内部一般由正极集流体和正极材料、电解液、隔膜、负极材料和负极集流体、垫片和外壳组成，整套系统还应包括外电路，先简单地假定由电源/用电器、**组成，并用**连通。


其中，LiBs 的电解液一般是易燃有毒的有机溶液，在高温下会发生分解，所以需要对电池进行严格地密封。如果我们不小心拆开手机，取出了里面的电池，只能看见正负极集流体的极耳露在外面，用来传导外电路电子（而柱状电池将极耳直接焊在了外壳里面所以看不到）。此外，密封也可以保证电池在给压时，电解液不会发生泄漏，搞得到处都是。

常见的几种锂离子电池种类


因此，电池从材料上限制了它所工作的温度不能太高，不仅因为电解液容易分解，商用钴酸锂正极在高温下，晶格内部的氧气也会脱出，不仅损害电极结构，还会产生氧气，和电解液直接反应导致热失控，一般商用锂离子电池的工作温度不宜超过 55℃。


所以，夏天当手机很烫的时候，就别再玩了，让它哪儿凉快哪儿呆着去。


不仅在制造过程中，电池在工作时也要始终保持密封的状态，在发生碰撞，挤压等极端工况时，确保电池的密封性不受影响，当然，电池在出厂前就会进行一系列安全性测试。但是如果手机已经严重弯曲、变形，真舍不得换手机，也要换块电池，不然真就是握着俩**在兜里，你说刺激不刺激~


除了电解液，LiBs 的隔膜也是导致热失控主要原因之一。LiBs 的电解液和隔膜几乎电子绝缘，防止正极的电子直接跑到负极，导致内电路的直接放电。如果隔膜受损，比如隔膜被刺穿，电池在加压状态下，正负极便会直接接触，导致电池内部短路，接着电池就会瞬间以超大电流放电，导致电池发生热失控。


所以电池在制造和使用中必须要保证：电子只能走外电路，离子只能走内电路，二者同时移动，形成闭合回路。


电池可以无限充电吗？


当 LiBs 充电时，正极材料失去电子，锂离子脱出，正极电位随之升高。在电场驱动下，锂离子在电解液中向负极扩散，伴随着负极得到电子，锂离子嵌进负极材料，负极电位随之降低，电能转化为化学能的形式储存在电池中。


但是电池不能无限充电，因为正极电位不能超过电解液的电化学稳定窗口的上限，负极电池不能低于电解液的电化学稳定窗口的下限，否则电解液的成分会和电极发生氧化还原反应，造成电解液的分解。而电解液的分解将会产生易燃或助燃的气体，使得电池胀包变形，同时产生热量，从而造成热失控。



锂离子电池充电时电极电位变化示意图[2]


电池不能无限充电，还有一个原因是负极能容纳锂离子的空位是有限的，比如商用石墨负极的理论比容量是 372mAh/g，实际比容量在 350mAh/g 左右。当石墨负极的空位已经被锂离子填满后，扩散过来的锂离子只能聚集在石墨的表面。如果继续充电，使得石墨电位（最低嵌锂电位约为 0.1V 对锂）继续降低，当降低到 0V 对锂时，锂离子将直接获取负极的电子，在石墨表面还原生成金属锂（枝晶），不规则的锂沉积会刺穿隔膜，导致电池短路，进而引发热失控事件。


除了过充，低温下电池充电时，石墨负极也会产生锂枝晶刺穿隔膜的问题。低温时，石墨负极嵌锂速度变慢，若在动力学上小于锂离子在电解液中扩散的速度，富集在负极表面的锂离子可能直接和电子结合，在石墨负极表面不规则沉积，形成锂枝晶。尤其是在低温下快充时，对电极内部的动力学扩散速度提出了更高要求，更容易发生锂沉积的现象。所以 LiBs 的使用温度一般要超过 -20℃。而且都 -20℃ 了，拿在手上不如先把手机放嘎子窝里暖和暖和。


结合之前的温度，LiBs 工作的温度区间在 -20~55℃ 会更安全，而且电池的动力学性能也更好。

实拍锂枝晶刺穿隔膜




当电池充满时，或当电池处于荷电状态（SOC＞0%）下，连通外电路，电池会自发地放电，发生和充电时刚好相反的过程。负极电位升高，正极电位降低，像U型管两端的水位一样向中间靠近（但是不会持平）。电池将电极的化学能转化成电能（和热能），为外电路供电。电池放电是一个自发的过程，就像瀑布“飞流直下三千尺”，你的手机还没怎么玩就提示 10%。




当然，生产厂商在设计电池的时候，就已经进行了各种安全性的防护和测试，保证我们在正常使用，或者偶尔过度使用时，不会出现问题，比如过充停止充电，高低温时自动关机，防爆测试等，这样我们在使用手机时，也不用一直提心吊胆。不过，要想杜绝这种危险发生在我们身边，还是要注意以下几点：


1.使用正规厂商生产的电池，最好是原厂


2.当手机或电池严重变形，及时更换电池


3.不要在高温或者低温下持续使用电池


4.可以给手机配备更好的散热和加热系统


5.不要过度充电或放电


6.从根源上：少玩手机


更安全的电池？


除此之外，要想获得一个更加安全的锂离子电池，我们还可以在材料设计上有很多手段，举几个例子：


钴酸锂正极稳定性不够，就换正极。使用更加稳定安全的正极——**铁锂：结构稳定性更高，在 800℃ 下才会发生分解，且循环寿命也更长，正常使用下可达 10 年之久。除此之外，**铁锂不含贵金属，成本也更低，适用于对能量密度要求不高的许多场景。


有机电解液不稳定，就换电解液。使用更加稳定安全的电解液——水系电解液：将电解液的溶剂替换成水，水本身是无毒不可燃的，甚至有时可以阻燃。但是之所以水系锂离子电池没有纳入商用体系，是因为纯水的电化学窗口比较窄（1.23 V），正极和负极的选择很少，导致输出电压和能量密度较低。但是，其安全性不容置疑，对于未来大型的风光一体储电站，水系电池有望占据一席之地。


隔膜强度不够，就换隔膜？直接去掉隔膜！采用全固态锂离子电池，将液态电解液和隔膜换成固态电解质，替换了可燃物，使得电池在本质上是安全的。固态锂离子电池目前正在迅猛发展，各大电动车企争先布局。


由于正极、电解质和负极都是固态，固固界面较差的机械接触是一个需要解决的问题，但是固态电池可以采用能量密度更高的金属锂作为负极，采用稳定可靠的固态电解质，使得锂电池的能量密度和安全性能再次提升，是未来动力电池的有力竞争者。



全固态锂离子电池的结构组成[5]


一起手搓电池！


想必在看的各位未来杰青、千人都已经跃跃欲试，想要手搓电池了，那就赶快加入中国科学院物理研究所 E01 组（一起原），在这里打造属于自己的电池提瓦特吧。


最后，没有绝对的安全，只有绝对的安全意识。不过最安全的，还是少玩手机。希望各位可以正确地使用手机，而不是像小编一样，成为手机的玩伴。


所以各位朋友：你打开手机，是为了什么？




参考文献


[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.




来源丨中科院物理所

luxunll1986

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