鋰電池有雙重保護，長時間對手機充電無害處？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 12:04
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這兩年無論是網(wǎng)上還是報紙上我們總是能夠看到各種手機電池爆炸的負面新聞，有很多說是手機電池長時間充電導致充電器或電池發(fā)熱而爆炸。那么問題來了，長時間對手機進行充電對電池和手機本身是否有害呢？
雖然電池從最初的800毫安提升到了2000、3000甚至4000毫安，但伴隨著智能手機功能的快速增加以及使用頻率的不斷提升，智能手機的續(xù)航時間可謂是每況愈下，總之逃不出一天一沖的命運，外出旅游，公務出差，不隨身帶個移動電源心里就顯得不踏實。
通過測試，現(xiàn)在可以很肯定的得出一個結論，即便是長時間對數(shù)碼設備進行充電對電池和機器都沒有影響，充電完畢，充電器的IC電路會自動切斷電流輸入。而且現(xiàn)在的鋰電池設備一般都設有雙重保護，第一重是機器內部的電源管理芯片，第二重是電池的保護板。即使電源管理芯片失去作用，電池的保護板也能防止過充，保護電池。因此在正常情況下，即便是長時間充電也不會引起電池爆炸等嚴重后果。
從手機充電器的簡單電路圖可以看出，充電設備在完成充電后，IC電路會自動判斷并切斷電源輸入，但是由于許多充電設備擁有LED指示燈，即便是斷開轉換輸出后，還是會保留極小極小一部分電流用于LED顯示（單個算電力損耗基本可以忽略不計，但成萬上億的設備算在一起也是一筆不小的電力浪費），因此長時間充電雖然不會對數(shù)碼設備、電池造成損壞和影響，但作為節(jié)能環(huán)保人士的我們，在充完電的情況下還是把充電器及時拔下來！
我們現(xiàn)在也在這樣做。據(jù)預測，到2022年，全球的電池市場規(guī)模將達到250億美元。但消費者認為，在一項又一項的調查中，電池續(xù)航時間是智能手機最受關注的功能。隨著未來十年能耗更高的5G網(wǎng)絡普及，問題只會越來越嚴重。而對于那些能夠解決問題的人來說，他們將會得到巨大的回報。
Ionic Materials公司只是數(shù)十家公司中的一員，它們正在進行從根本上重新思考電池問題的史詩競賽。不過，這場競賽被錯誤的開端、痛苦的訴訟以及失敗的初創(chuàng)公司所困擾。但在經(jīng)過十年的緩慢發(fā)展之后，希望仍在。世界各地的初創(chuàng)企業(yè)、大學和資金雄厚的國家實驗室的科學家們，正在使用復雜的工具尋找新材料。他們似乎即將大幅提高智能手機電池的能量密度和續(xù)航時間，并創(chuàng)造更環(huán)保、更安全的設備，這些設備將在幾秒鐘內完成充電，并足夠持續(xù)全天使用。
電池通過分解化學物質來發(fā)電。自從1799年意大利物理學家亞歷山德羅·沃爾塔(Alessandro Volta)發(fā)明了電池，用來解決關于青蛙的爭論以來，每塊電池都有相同的關鍵部件：兩個金屬電極——帶負電的陽極和帶正電的陰極，由被稱為電解質的物質隔開。當電池連接到電路時，陽極中的金屬原子會發(fā)生化學反應。它們失去一個電子，變成帶正電荷的離子，并通過電解質被吸引到正極。與此同時，電子（也帶負電荷）則會流向陰極。但是它并沒有通過電解質，而是通過電路在電池的外部傳播，為它連接的設備供電。
陽極上的金屬原子最終會耗盡，此時意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，可以通過充電來逆轉這一過程，從而迫使離子和電子回到原位，準備再次啟動循環(huán)之旅。純金屬制成的電極無法承受原子不斷進出的壓力而不發(fā)生坍縮，因此可充電電池必須使用組合材料，使陽極和陰極通過重復的充電循環(huán)保持形狀。這種結構可被比作公寓建筑，其中有用于反應性元素的“房間”。可充電電池的性能在很大程度上取決于你能以多快的速度在這些房間里進出，而不會導致建筑物倒塌。
1977年，年輕的英國科學家斯坦·惠廷漢姆(Stan Whittingham)在新澤西州林登(Linden)的?？松?Exxon)工廠工作，他建造了一個陽極，用鋁來形成“公寓街區(qū)的墻壁和地板”，用鋰作為活性材料。當他給電池充電時，鋰離子從陰極移動到陽極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當放電時，他們向另一個方向移動，通過電解質回到陰極一側的空間。
惠廷漢姆發(fā)明了世界上第一個可充電的鋰電池，這種硬幣大小的電池足以為太陽能手表提供動力。但當他試圖增加電壓（使更多離子進出）或試圖制造更大的電池時，它們就會繼續(xù)燃燒。1980年，在牛津大學工作的美國物理學家約翰·古德諾夫(John Goodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次世界大戰(zhàn)中擔任美國陸軍氣象學家，他也是金屬氧化物方面的專家。他懷疑，與惠廷漢姆使用的鋁化合物相比，肯定有某種物質能為鋰提供更堅固的牢籠。
古德諾夫指導兩名博士后研究人員系統(tǒng)性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對鋰進行比對，看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終，他們確定了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數(shù)鋰被拉出的極限。當它被用作陰極時，這代表了電池技術向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價的材料，既適用于小型設備也適用于大型設備，而且大大優(yōu)于市場上的其他材料。
如今，古德諾夫的陰極幾乎出現(xiàn)在地球上的所有掌上設備中，但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學拒絕申請專利，他本人也放棄了這項權利。但它改變了可能發(fā)生的事情。1991年，經(jīng)過10年的修修補補，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結合在一起，試圖改善其新型CCD-TR1攝像機的電池續(xù)航時間。這是第一款用于消費產品的可充電鋰離子電池，它改變了整個世界。
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當這家電動汽車公司于2003年成立時，電池能量密度穩(wěn)步提高已經(jīng)持續(xù)了十年，每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的性能開始趨于平穩(wěn)。在過去的七八年里，科學家們不得不竭盡全力去爭取哪怕是0.5%的電池性能提高。
當時的進步主要來自工程和制造業(yè)的改進。伯迪切夫斯基說:“在現(xiàn)代化學反應被使用27年后，它們不斷接受提煉。”材料更加純凈，電池制造商已經(jīng)能夠通過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風險?，F(xiàn)代電池由極薄的陰極、電解質和陽極材料的交替層組成，與銅和鋁電荷收集器緊密地結合起來，將電子帶出電池，送到需要的地方。
在許多高端電池中，塑料隔膜位于陰極和陽極之間，用來防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發(fā)厚度的1/10），這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全視頻現(xiàn)在為何警告稱，如果你的手機掉進了機械裝置里，不要試圖調整座位。
對鋰離子電池的每一次改進，都需要權衡取舍。提高能量密度會降低安全性，引入快速充電可能降低電池的循環(huán)壽命，這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來，研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍，包括通過系統(tǒng)性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質和分離器，并使用越來越復雜的工具。
克萊爾·格雷(Clare Grey)是古德諾夫在牛津大學的學生，他始終在研究鋰-空氣電池，即用空氣中的氧氣充當另一個電極。從理論上講，這些電池提供了巨大的能量密度，但要讓它們可靠地充電，并且持續(xù)時間超過幾十個周期，在實驗室里已經(jīng)夠困難的了，更不用說在現(xiàn)實世界骯臟而不可預知的空氣中了。
盡管格雷聲稱最近取得了突破，但由于上述問題，研究團體的注意力主要轉向了鋰-硫電池。它為鋰離子提供了更便宜、更強大的替代品，但科學家們始終在努力阻止其在陰極上形成的樹突（cathode），以及在陽極上的硫磺因重復充電而溶解。索尼聲稱已經(jīng)解決了這一問題，并希望到2020年將含有鋰-硫電池的消費類電子產品推向市場。
在曼徹斯特大學，材料學家劉旭清(Xuqing Liu)是那些試圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維材料結合起來，以便擴大表面積，從而增加鋰原子的數(shù)量。劉旭清把它比作增加一本書的頁數(shù)。這所大學還投資建造干燥的實驗室，這將使其研究人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測試不同的電極和電解質的組合。
令人難以置信的是，即使古德諾夫本人也在研究這個問題。去年，94歲的他發(fā)表了一篇論文，描述了一種容量是現(xiàn)有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質疑。一位研究人員說:“如果是古德諾夫之外的其他人發(fā)表了這篇文章，我可能就要罵娘。”
但是，盡管有成千上萬的論文發(fā)表，數(shù)十億美元的資金投入，數(shù)十家創(chuàng)業(yè)公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費電子產品的基本化學功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhoneX的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機一樣。
因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學反應。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經(jīng)有六七年了，它現(xiàn)在基本上是用在電池的熱力學容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學院材料學教授格萊布·尤辛（Gleb Yushin）共同創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達的灣區(qū)辦公室有開放式布局，以雅達利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃氣管道的工業(yè)實驗室。
在調查了所有可能的解決方案之后，三人從理論上確定硅是最有前途的材料。他們只需要讓技術發(fā)揮作用。許多人在他們之前嘗試過，但都以失敗告終。不過，伯迪切夫斯基和他的同事們對他們的成功表示樂觀。一個硅原子可以附著4個鋰離子，這意味著與重量相近的石墨陽極相比，一個硅陽極可以儲存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國國家研究院對硅陽極材料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風投機構支持的初創(chuàng)企業(yè)也是如此。
當鋰離子在電池充電時附著在陽極上時，它會輕微膨脹，然后在使用時再次收縮。在重復的充電循環(huán)中，這種膨脹和收縮破壞了固態(tài)電解質界面層，后者是一種保護物質，在陽極表面形成斑塊。這種損害會產生副作用，消耗電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說：“它被困在無用的垃圾里。”
隨著時間的推移，這是智能手機開始快速損失儲能的主要原因。石墨陽極膨脹和收縮約7%，因此在性能開始急劇下滑之前，它可以完成大約1000個充放周期。這相當于一部智能手機持續(xù)兩年、每天充電。但由于硅顆粒能吸附如此多的鋰，它們在充電時膨脹的幅度要大得多（高達400%）。大多數(shù)硅陽極經(jīng)過幾次充電循環(huán)后會發(fā)生斷裂。在實驗室的5年多時間里，Sila Nanotechnologies創(chuàng)造了一種納米復合材料來解決膨脹問題。
伯迪切夫斯基解釋說，如果石墨陽極是個“公寓區(qū)”，那么所有的“房間”都是一樣大小，而且都緊緊地擠在一起。經(jīng)過3萬次迭代（不同的柱子和房間組合），他們形成了陽極，那里每層都有足夠的空間讓硅原子在獲取鋰時膨脹。他說：“我們把多余的空間困在建筑內部。”這就解決了膨脹問題，同時保持陽極的外部尺寸和形狀穩(wěn)定。
伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nanotechnologies將向制造商提供的第一代材料，將使能源密度提高20%，并最終提高40%，同時也能提高安全性。他說：“硅能讓你遠離邊緣，你可以空出1%或2%的空間，以真正大幅提高你的安全。”最重要的是，它也可以直接轉換成現(xiàn)有的設計。隨著亞洲的電池生產商爭相增加工廠產能，為電動汽車時代到來做準備，伯迪切夫斯基認為，任何與當前生產工藝不兼容的產品都可能被排除在外。他說：“如果現(xiàn)在還不存在可以替代鋰離子的技術，到上市的時候，它將迎來無數(shù)的用戶群。”
