三星手机GalaxyNote7爆炸背后的原因

JV+Chamary+李雨蒙

近日，全球发生多起三星GalaxyNote7手机过热甚至爆炸事件，随后三星公司宣布召回新款Note7手机，并解释称：“公司已经进行了深入调查，发现手机电池存在问题。”

根据三星公司的数据显示，目前召回的250万台Note7手机中，有35例爆炸案件，虽然这个数字感觉上相对高，但实际上还没达到普遍的程度。“电池故障是极少发生的情况。”伦敦大学化学工程师Donal Finegan这样说到，他表示：“任何缺点都会引来大批媒体的关注，尤其会影响那些依赖电池的产品的声誉。”

同其他大多数的可充电电子设备一样，手机也同样使用锂电池。Finegan表示，“锂电池是大功率的高能电池，可能是引起爆炸的一大原因”。然而，究竟是什么原因导致这些电池容易着火甚至爆炸的呢？

电池如何运作

首先，我们需要对电池的运作方式有个大概的了解。它们有3个主要组成部分：一端正极，一端负极，以及两端之间的电解质。电压产生后，会驱使锂离子从一端转向另一端，进而充电和放电。这一过程绝大部分时间都不会引发问题。但一旦有问题出现，问题会变得非常严重，且会快速恶化。

“有几件危险的事情可能会发生。”阿贡国家实验室储能研究联合中心主任乔治·克拉布特里（George Crabtree）指出，“其中一件是过度充电，这会导致发热，进而导致正极发生多余的化学反应。”这个问题在放电时也可能会发生。克拉布特里说，负极包含氧化物，氧化物能够与电解质中的有机材料结合，然后产生热量。混有杂质的“劣质”电池也有可能导致预想不到的后果。

在充电时，充电器的电流将正极中的锂离子赶了出来，这些锂离子经过正极与负极之间的电解液“游”到负极中；而放电时，这些锂离子又从负极中经过电解液“游”回正极中，为手机工作提供了电能。在这个过程中，正极与负极一定不能直接接触，否则就会发生短路，造成电池的异常发热，甚至会导致起火爆炸等危险。

热源

手机过热很显然由温度升高导致，这其中有环境因素，比如夏天暴晒过的汽车内或是手机内其他零件的升温转导至电池上。其中一个热源来自于手机的“电池管理系统”，系统将检测电流的状态，当电池充满时，手机内的芯片将自动切断电流。如果系统或芯片发生故障，电池会进入“过度充电”状态。

目前来看，保护电路似乎没有起到作用。正常情况下，一旦电池达到特定问题，保护电路会马上关闭电池。但这一点也无法百分百肯定。一方面，三星方面还没有透露具体的原因，只是说“电池问题”。另一方面，该公司很有可能是同时从几家供应商采购电池，质量难免有不合格。

隔膜防起火

如何保证电池内部的正极与负极互相不接触并且之间还有充足的电解液给锂离子来回“游动”呢？这就是通过锂离子电池中的一个关键材料——隔膜来实现的。

当手机商对隔膜材料质量控制不严或者工艺缺陷，导致隔膜局部变薄，不能有效隔离正极与负极，就会造成电池的安全问题。另一方面，企业为提升电池的体积能量密度、延长手机电池续航能力，而采用了更薄的隔膜材料。

热逃逸（Thermalrunaway）

事实上，手机并不具备一般个人电脑或电动车上的风扇或液体冷却机制，所以电池产生的热量只能向四周辐射。当电池达到100摄氏度，电池本身的材料就已经开始损坏，并引起一系列化学连锁反应。

这也正加速了发热情况，引发雪球效应—这一过程被称为“热逃逸”现象。Crabtree表示：“热逃逸发生时，释放出的热量太多，以致于温度上升，化学反应因而变得更加快速，这也是大家都担忧的问题。”

一旦放热反应达到150摄氏度左右，它就会持续进行，直至有东西着火。这些问题并不一定在你第一次给智能手机充电时就会发生，它们会慢慢形成。“你得到的电池在经过很多个充放电周期后可能会变得没那么强健。”Crabtree认为，“电解质中的某种合成错误，又或者电极开始累加，都会引发小型的化学反应。久而久之，你就会遭遇严重的化学反应。”出错的东西越多，会造成破坏的化学反应就会越多。简单来说，锂离子电池非常复杂，一旦出错就会引发严重的后果。

“电池本身含有一个芯片，该芯片是旨在防止事故发生的保护电路。”在线维修社区和零部件零售商联合创始人兼CEO凯尔·韦恩斯（KyleWiens）说道。iFixit最近对GalaxyNote7进行了拆解，检验了该款手机所有的内部元件。Wiens在拆解后指出，可以说没有一样东西必定会导致GalaxyNote7的过热问题。

他认为，手机是有一些潜在的危险信号：一方面，它使用高电压电池，另一方面，玻璃后壳的散热效果没有金属后壳那么好。不过，没有理由认为这些是过热问题的核心原因，尤其是考虑到类似的智能手机并没有发生爆炸。

热量传播

传统上，研究人员依靠X光检查电池爆炸前后的状态。现在，伦敦大学的PaulShearing实验室模拟了一些列的反应状态—将电池升高到异常的300摄氏度，运用热成像技术观察在热逃逸反应下发生的现象。

锂离子电池是多层结构，每一层都有正极和负极。充电时，锂离子会从正极流到负极，当电量耗尽时，离子会返回到正极。手机内薄长型的电池不断重复的电极层，就像笔记本里的纸。而圆柱形蓄电池的电极层就像是卷起来的报纸。而热失控就像是介于两种排列之间的状态。相比圆柱形蓄电池，长方形电池更容易出现故障，因为长方形电池的中心支撑常常帮助预防内部电层的变形，就像在电池伸缩时，“安全隔膜”将拦截电流，由于尺寸有限，手机不会再有第二个自动防故障装置。目前，伦敦大学团队正在与NASA合作开发在已知位置主动引起短路的设备。这样的设备有助于研究人员有效监测芯片内的热量是如何传播的。

化学工程能够帮助未来的手机产业降低电池失败的风险。伦敦大学团队研究人员Finegan表示：“希望我们的研究成果能够被手机产业应用于改善手机的设计，并预防类似爆炸的严重事件不再发生，这也是我们正在努力的目标。”