智能手机的电池为何会爆炸燃烧

曾经有关手机燃烧爆炸的案例，大都源于没有品质保证的山寨机或山寨电池。如今，作为Android领域的旗舰标杆，三星Galaxy Note 7竟然也会爆炸，这不禁让我们有了一股“狼来了”的想法。是什么原因导致了类似Note 7电池爆炸的事故呢？

锂电池的三种形态

在3C电子领域，锂电池大体可以分为三种类型，它们分别是18650电池、锂离子电池（Li-ion）和锂聚合物电池（Li-Po）。它们都是由外壳、正极材料、电解质和负极材料等构成，而差异就体现在了外壳（形态）和电解质的类别上。

其中，18650是一种直径为18mm，长度为65mm的圆柱体电池（图1），我们可以将它视为更大的5号电池，其内部普遍以液态的电解质为主。18650电池最常被应用在移动电源（图2）、早期笔记本的可拆卸电池、移动音箱、电动剃须刀等小巧的数码产品身上，而电动自行车的电池模组内部也普遍是由数十个18650电池串联+并联组成。由于18650电池形态固定且（相对）太过庞大，所以自然不可能为手机所用。

锂离子电池，我们可以将它视为被“压扁”的18650，它内部的电解质也多为液体，只是连同正负极材料一起，被一个方形铝壳或铝塑软包装包裹其中（图3）。和18650相比，锂离子电池可以做得更薄，所以曾有一段时间成为了移动电源的最爱。需要注意的是，由于锂离子电池和18650电池结构相似，所以它们都存在一个不容忽视的安全隐患：在极端情况下，它们不仅会燃烧，还有一定的爆炸几率（用“爆燃”形容可能更准确），危险系数相对偏高。

锂聚合物电池的形态和锂离子电池很像，也是一种扁平形态的能量体。只是，它将内部的电解质从液态换成了干状或胶状的固态物质（多为聚乙二醇或聚丙烯腈类），而包裹它的外壳材料则多是铝塑软包装（图4）。在极端情况下，锂聚合物电池多以燃烧为主而不会出现爆炸，因此它的安全系列相对要好一些。

寻找Note 7爆炸的凶手

目前，智能手机所用的电池既有锂离子电池，也有锂聚合物电池。很不幸，出现爆炸燃烧事故的三星Galaxy Note 7（图5），它们所用的由Samsung SDI供货的电池就都是锂离子电池（图6）。因此，Galaxy Note 7也就有了所谓“爆炸”隐患，否则它们应该只会燃烧而已。

实际上，无论是锂离子电池还是锂聚合物电池，它们的性能都是一样的，只要确保充放电安全你根本就体会不到它们的差别。如曾有其他媒体做过拆解测试，iPhone 4s的电池为锂聚合物，而iPhone 5s则换成了锂离子电池，你能说电池技术倒退了？

此外，一些面向全球销售且出货量巨大的热门手机，它们的电池供应商普遍不止一家。之所以三星在国内销售的Galaxy Note 7没有被召回，就是因为国行版选的电池改为了由ATL提供的锂聚合物电池。而iPhone的历代版本中，可能也涉及到既有锂离子电池也有锂聚合物电池的时候，只是因为Galaxy Note 7“出事了”，锂离子电池的安全隐患问题才被无限放大。

换句话说，国外销售的Galaxy Note 7所遭遇的爆炸问题和锂电池的类型没有太大关系，它们“出事”的本源，则是电池设计和生产中的瑕疵引起的。只是在讨论这个瑕疵之前，我们还需先一步了解锂电池的正极材料和工作原理。

重新认识正极材料

目前锂电池的负极材料主要以石墨为主，而正极材料则是对电池性能（包括能量密度、充电速度、循环寿命等）的影响最大的部分。

钴酸锂（LiCoO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）、锰酸锂（LiMn2O4）和三元复合材料（NCM或NCA）是锂电池最常见的正极材料。其中，钴酸锂是最早商业化且最为成熟稳定的材料（图9）。早在1990年索尼就推出了钴酸锂离子电池，随后这种正极材料就逐渐统治了手机、笔记本、平板电脑等3C电子领域，它每克容量参数多在150mAh/g左右（这个指标的数值越高，单位体积下所能达到的电量就越高）。

在动力电池领域（如电动汽车），磷酸铁锂曾经是普及率最高的正极材料，可惜它实际每克容量很难突破120mAh/g，已经无法满足当前和未来的市场需求。锰酸锂虽然每克容量接近150mAh/g，但却存在高温性能差和循环寿命低等缺陷。因此，如今动力电池领域实际上是三元材料大行其道的格局，目前市场上的产品已经可以达到170 mAh/g～180mAh/g。

可惜，三元材料受限于成本和各种因素的制约，至少在短期内无法在手机领域大量应用。所以我们身边智能手机的电池，在未来很长一段时间里依旧是以钴酸锂作为正极材料。由于正极材料固定，这意味着单位电池体积能容纳多少电量是可以被计算出来的（图10），如果想在电池体积不变的基础上进一步提升容量，那就需要进一步调整电池内部的结构了。

而Galaxy Note 7电池的爆炸门事件的发生，据了解就是因为Samsung SDI在给电池增容的环节出现了疏漏，最终导致了这种严重的安全生产问题。

回顾锂电池工作原理

想了解Galaxy Note 7电池为何爆炸燃烧，还得继续了解一下锂电池的工作原理。

为了便于理解，我们可以将锂电池简化为由正极材料钴酸锂（LiCoO2）、电解质、隔离膜和负极材料石墨四个部分组成。

给锂电池充电的过程中，正极材料LiCoO2分子中的锂元素会被分离出来，变成一个带有正电荷的锂离子（Li）。在外加电场的作用力下，这个锂离子会穿越电解质和隔离膜，展开一场从正极到负极的“旅行”，到达终点负极后会与其中的碳原子发生化学反应生成LiC6，并稳定地嵌入到负极的石墨层状结构当中。在单位时间内，从正极跑出来的锂离子越多，这个电池可以存储的电量也就越大。

如此一来就可以解释前文中为什么正极材料会影响电池的总能量了：单位重量的不同正极材料中可以跑出来的锂离子数量是不一样的。

在锂电池放电的过程中，则是锂离子从负极到正极的“回家旅行”，也就是充电时的反过程：锂元素从负极中的LiC6脱离，变成锂离子回到正极材料，发生反应还原为最初的LiCoO2。

总之，锂离子就是每一次充放电过程中的“搬运工”，不断重复着从正极→负极→正极的循环移动（图11）。它通过与正、负极材料发生化学反应将化学能和电能相互转换，最终实现了电荷的转移。

需要注意的是，在锂电池的充放电过程中，正极与负极是不能出现直接接触的，否则就会出现短路，造成电池异常发热，引起燃烧爆炸等严重问题（图12）。前面提到锂电池四个组成部分中的隔离膜，就是夹在正极与负极之间，防止它们越界接触的“隔离带”。

为了100%避免锂电池正负极的接触，电池厂商通常会在里面塞进（相对）很厚的隔离膜（图13）。在电池体积一定的情况下，隔离膜越厚，代表能塞进去的正负极材料和电解质越少，也就造成了电池的体积能量密度变低。

Note 7爆炸门的根源

Galaxy Note 7是一款屏幕大、配置高的旗舰手机，而三星既想让它拥有出色的续航时间，又不希望牺牲厚度和重量。因此，如何让体积一定的锂电池拥有更大的能量（就是mAh数值），就成为了摆在面前的公关项目。

而三星（准确来说是三星提出需求，由Samsung SDI执行）的解决方案是，削减锂电池中隔离膜的厚度，如此一来就有了更多空间用于安置正极和负极材料。

问题来了，Galaxy Note 7电池里的隔离膜本来就不厚，想再削薄一点，对生产工艺和安全检测的要求也就越高。因为当隔离膜很薄的情况下，稍微的质量瑕疵就会导致正负极的接触而出现短路。很明显，Samsung SDI就没能检测出Galaxy Note 7电池可能存在的隔膜缺陷，直到出现燃烧爆炸案例之后才引起重视，最终（图14）……

爆炸门带来的安全预警

可以说，在Galaxy Note 7爆炸门事件发生以前，每一款手机都以更薄的身材却配有更大的电池为荣，而作为消费者的我们也在不断苛求手机厂商推出超大电池的产品。殊不知，受限于电池能量密度的计算公式（电池能量密度=电池容量×放电平台÷电池厚度÷电池宽度÷电池长度），在锂电池正极材料没有突破的前提下，单位体积的锂电池注定有着一个最大的理论上限（图15）。

像Galaxy Note 7这种通过减少隔离膜厚度换取更大容量的做法并不是什么新鲜的手段，实际上这已经成为了电池产业最为常见的解决方案。如果没有发生此次的爆炸门事件，相信还会有更多厂商乐此不疲地将这条电池扩容之路进行到底。希望此次的安全事件可以让包括你我在内的消费者可以理性看待电池容量“总是不够用”的先天缺陷，而手机和电池厂家也能更为注重安全质检，毕竟一次事故带来的可能不仅仅是手机损害，一旦引起火灾或是伤到用户自身，这个代价未免太大了。