2010 年，出門必帶現(xiàn)金
2020 年，出門必戴口罩
2023 年，出門必揣手機
無論辦公還是解壓，吃飯還是睡覺，一個人還是一堆人，手機都無時無刻地陪在我們身邊。從形影不離的伙伴到威力十足的炸彈，手機真的絕對安全嗎？趕著摸魚的小伙伴可以快速劃到下面尋找答案
電池威力有多大？
隨著大家對手機續(xù)航能力的需求越來越高，手機電池的容量越來越大。而手機里所采用的是鋰離子電池（Li-ion Batteries, 以下簡稱 LiBs），從小到耳機，大到電動汽車，再大到儲能電站，LiBs 都扮演著非常重要的角色。
目前商用手機的的鋰離子電池，正極主要選用鈷酸鋰，因為其體積能量密度最高，這樣就可以在很小的手機里儲存更多的能量，而負極一般選用層狀石墨。目前大部分手機電池的平均輸出電壓大約是 3.7V，容量一般是 4000mAh，那么一個充滿電的手機所蘊含的能量約為 14.8Wh，相當于 53kJ，也就是兩個手雷的能量？！
雖然手雷機爆炸的概率很小很小，但誰也不想以這樣的方式上新聞吧？所以評估一個電池的各項性能前，必須先評測它的安全性，這樣消費者才可以放心使 mo 用 yu。
電解液和隔膜安全嗎？
無論是電芯，模組還是大型的儲能模塊，其實都是由一個個電池單元串并聯(lián)組成的。其發(fā)生熱失控的原因，和電池的基本構造和工作原理息息相關：
LiBs 內部一般由正極集流體和正極材料，電解液，隔膜，負極材料和負極集流體，墊片和外殼組成，整套系統(tǒng)還應包括外電路，先簡單地假定由電源 / 用電器，開關組成，并用導線連通。
其中，LiBs 的電解液一般是易燃有毒的有機溶液，在高溫下會發(fā)生分解，所以需要對電池進行嚴格地密封。如果我們不小心拆開手機電池，只能看見正負極集流體的極耳露在外面，用來傳導外電路電子（而柱狀電池將極耳直接焊在了外殼里面所以看不到）。此外，密封也可以保證電池在給壓時，電解液不會發(fā)生泄漏，搞得到處都是。
因此，電池從材料上限制了它所工作的溫度不能太高，不僅因為電解液容易分解，商用鈷酸鋰正極在高溫下，晶格內部的氧氣也會脫出，不僅損害電極結構，還會產生氧氣，和電解液直接反應導致熱失控，一般商用鋰離子電池的工作溫度不宜超過 55℃。
所以，夏天當手機很燙的時候，就別再玩了，讓它哪兒涼快哪兒呆著去。
不僅在制造過程中，電池在工作時也要始終保持密封的狀態(tài)，在發(fā)生碰撞，擠壓等極端工況時，確保電池的密封性不受影響，當然，電池在出廠前就會進行一系列安全性測試。但是如果手機已經(jīng)嚴重彎曲、變形，真舍不得換手機，也要換塊電池，不然真就是握著倆手雷在兜里，你說刺激不刺激~
除了電解液，LiBs 的隔膜也是導致熱失控主要原因之一。LiBs 的電解液和隔膜幾乎電子絕緣，防止正極的電子直接跑到負極，導致內電路的直接放電。如果隔膜受損，比如隔膜被刺穿，電池在加壓狀態(tài)下，正負極便會直接接觸，導致電池內部短路，接著電池就會瞬間以超大電流放電，導致電池發(fā)生熱失控。
所以電池在制造和使用中必須要保證：電子只能走外電路，離子只能走內電路，二者同時移動，形成閉合回路。
電池可以無限充電嗎？
當 LiBs 充電時，正極材料失去電子，鋰離子脫出，正極電位隨之升高。在電場驅動下，鋰離子在電解液中向負極擴散，伴隨著負極得到電子，鋰離子嵌進負極材料，負極電位隨之降低，電能轉化為化學能的形式儲存在電池中。
但是電池不能無限充電，因為正極電位不能超過電解液的電化學穩(wěn)定窗口的上限，負極電池不能低于電解液的電化學穩(wěn)定窗口的下限，否則電解液的成分會和電極發(fā)生氧化還原反應，造成電解液的分解。而電解液的分解將會產生易燃或助燃的氣體，使得電池脹包變形，同時產生熱量，從而造成熱失控。
電池不能無限充電，還有一個原因是負極能容納鋰離子的空位是有限的，比如商用石墨負極的理論比容量是 372mAh / g，實際比容量在 350mAh / g 左右。當石墨負極的空位已經(jīng)被鋰離子填滿后，擴散過來的鋰離子只能聚集在石墨的表面。如果繼續(xù)充電，使得石墨電位（最低嵌鋰電位約為 0.1V 對鋰）繼續(xù)降低，當降低到 0V 對鋰時，鋰離子將直接獲取負極的電子，在石墨表面還原生成金屬鋰（枝晶），不規(guī)則的鋰沉積會刺穿隔膜，導致電池短路，進而引發(fā)熱失控事件。
除了過充，低溫下電池充電時，石墨負極也會產生鋰枝晶刺穿隔膜的問題。低溫時，石墨負極嵌鋰速度變慢，若在動力學上小于鋰離子在電解液中擴散的速度，富集在負極表面的鋰離子可能直接和電子結合，在石墨負極表面不規(guī)則沉積，形成鋰枝晶。尤其是在低溫下快充時，對電極內部的動力學擴散速度提出了更高要求，更容易發(fā)生鋰沉積的現(xiàn)象。所以 LiBs 的使用溫度一般要超過-20℃。而且都-20℃了，拿在手上不如先把手機放嘎子窩里暖和暖和。
結合之前的溫度，LiBs 工作的溫度區(qū)間在-20~55℃會更安全，而且電池的動力學性能也更好。
當電池充滿時，或當電池處于荷電狀態(tài)（SOC＞0%）下，連通外電路，電池會自發(fā)地放電，發(fā)生和充電時剛好相反的過程。負極電位升高，正極電位降低，像 U 型管兩端的水位一樣向中間靠近（但是不會持平）。電池將電極的化學能轉化成電能（和熱能），為外電路供電。電池放電是一個自發(fā)的過程，就像瀑布“飛流直下三千尺”，你的手機還沒怎么玩就提示 10%。
當然，生產廠商在設計電池的時候，就已經(jīng)進行了各種安全性的防護和測試，保證我們在正常使用，或者偶爾過度使用時，不會出現(xiàn)問題，比如過充停止充電，高低溫時自動關機，防爆測試等等，這樣我們在使用手機時，也不用一直提心吊膽。不過，要想杜絕這種危險發(fā)生在我們身邊，還是要注意以下幾點：
使用正規(guī)廠商生產的電池，最好是原廠
當手機或電池嚴重變形，及時更換電池
不要在高溫或者低溫下持續(xù)使用電池
可以給電池配備更好散熱和加熱系統(tǒng)
不要過度充電或放電
從根源上：少玩手機
更安全的電池？
除此之外，要想獲得一個更加安全的鋰離子電池，我們還可以在材料設計上有很多手段，舉幾個栗子：
鈷酸鋰正極穩(wěn)定性不夠，就換正極。使用更加穩(wěn)定安全的正極 —— 磷酸鐵鋰：結構穩(wěn)定性更高，在 800℃下才會發(fā)生分解，且循環(huán)壽命也更長，正常使用下可達 10 年之久。除此之外，磷酸鐵鋰不含貴金屬，成本也更低，適用于對能量密度要求不高的許多場景。
有機電解液不穩(wěn)定，就換電解液。使用更加穩(wěn)定安全的電解液 —— 水系電解液：將電解液的溶劑替換成水，水本身是無毒不可燃的，甚至有時可以阻燃。但是之所以水系鋰離子電池沒有納入商用體系，是因為純水的電化學窗口比較窄（1.23 V），正極和負極的選擇很少，導致輸出電壓和能量密度較低。但是，其安全性不容置疑，對于未來大型的風光一體儲電站，水系電池有望占據(jù)一席之地。
隔膜強度不夠，就換隔膜？直接去掉隔膜！采用全固態(tài)鋰離子電池，將液態(tài)電解液和隔膜換成固態(tài)電解質，替換了可燃物，使得電池在本質上是安全的。固態(tài)鋰離子電池目前正在迅猛發(fā)展，各大電動車企爭先布局。
由于正極、電解質和負極都是固態(tài)，固固界面較差的機械接觸是一個需要解決的問題，但是固態(tài)電池可以采用能量密度更高的金屬鋰作為負極，采用穩(wěn)定可靠的固態(tài)電解質，使得鋰電池的能量密度和安全性能再次提升，是未來動力電池的有力競爭者。
一起手搓電池！
想必在看的各位未來杰青、千人都已經(jīng)躍躍欲試，想要手搓電池了，那就趕快加入中國科學院物理研究所 E01 組（一起原），在這里打造屬于自己的電池提瓦特吧。
最后，沒有絕對的安全，只有絕對的安全意識。不過最安全的，還是少玩手機。希望各位可以正確地使用手機，而不是像小編一樣，成為手機的玩伴。
所以各位旅行者，每日一問：你打開手機，是為了什么？
參考文獻
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本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：TT
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