论文部分内容阅读
摘 要：随着科技的发展，手机越来越普及，但其出现的问题也越来越多，特别是手机电池引发的问题，关涉到消费者的财产和安全问题，显得尤为重要。而锂电池以其优良的特点得到了广泛的运用。本文从锂离子电池组的安全性进行分析，对消费者选择手机作为一个参考值。
关键词：手机；锂离子电池；安全
近年来，随着科学技术的发展，手机质量在不断提升，价格在逐渐下降，再加上人民经济能力和生活水平的提高，我国手机的普及率在不断上涨。根据数据统计：截止到2015年年底，中国手机普及率已达到92.49部/百人，手机网民数量达7.8亿，占全国人口数量的56.9%，手机已成了多数人的必需品。即时通讯、拍照、看视频、收发邮件、查看网页等，现在流行的智能手机拥有各种各样人性化的功能；苹果、三星、诺基亚、华为、小米、魅族等，手机的品牌也在不断增多；与此同时，手机本身的缺陷及弊端也在不断暴露。近年来，手机过热、手机死机、手机待机时间过短、手机频繁自动关机等问题屡见不鲜，甚至还出现三星Note 7爆炸事件，而手机所出现的这些故障又与手机电池缺陷息息相关。
手机电池是为手机提供电力的储能工具，其主要由锂离子电池芯、保护电路及外壳三部分组成。常用的手机电池一般分为三种：镍-铬类、镍-氢类和锂离子类。相较于镍-铬电池和镍-氢电池，锂离子电池具有工作电压高、比能量大、重量轻、无污染、能量密度高且无记忆效应等优点，故占据目前手机电池市场的主流。因此，本文将研究对象设定为广泛应用的锂离子电池组。
1.锂离子电池组的组成
（1）锂离子电池芯
锂离子电池芯是指含有锂离子的能够直接将化学能转化为电能的装置，一般分为铝壳电芯、软包电芯和圆柱电芯三种，手机电池通常采用的为铝壳电芯。该装置包括电极、隔膜、电解质、容器和端子等，并被设计为可充电。
电极是电池的核心部分，由活性物质和导电骨架构成。正负极活性物质是电能产生的源泉，是决定电池基本特性的重要组成部分。负极主要是各种碳材料，包括石墨化碳材料和无定形碳材料。
隔膜是由高分子聚烯烃树脂做成的微孔膜，隔膜的基本功能是阻止电子传导，同时在正负极之间传导离子，从而将锂离子电芯的正负极分开，避免正负极接触发生短路。
电解质是锂电芯的主要组成之一，主要承担着通过电池内部在正负极之间传输离子的作用，其对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性能都有重要的影响。
端子是锂离子电池与外部导体连接的部件，主要起传递信号或导电的作用。手机电池一般有三个端子，分别是两个工作端子和一个记录测试电池参数的端子。
（2）保护电路
锂电池的保护功能通常由保护电路板和热敏电阻PTC协同完成，保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流，即时控制电流回路的通断。保护板可实现电池组各单体电池的均充，有效地改善串联充电方式下的充电效果。同时检测电池组中各个单体电池的过压、欠压、过流、短路、过温状态，保护并延长电池使用寿命。
（3）外壳
锂离子电池外壳的作用主要是起到保护锂离子电池内部材料不受损害的作用，主要有钢壳、铝壳和铝塑膜等材质。
2.手机电池的工作原理
锂离子电池的工作原理分为充电和放电两个过程。充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，通过电解质扩散到负极，并嵌入到负极晶格中，同时得到由外电路从正极流入的电子，放电过程则与之相反。
3.手机电池自身的安全保护措施
为了营造安全的工作条件，设计者们在设计之初便从手机电池的电压、内部温度和内部气压三个方面设计了其自身的安全保护措施，以提高电池的安全性能，主要包括以下几个方面。
（1）防爆阀或防爆膜
防爆阀或防爆膜是指在电池壳体或上盖特定部位设计的安全装置。当电芯内部气压反常增加并超出正常范围时，防爆阀或防爆膜就会变形爆开以释放压力，从而保护电芯不发生爆炸。
（2）机械连接
当电池内压因异常而升高时，电流断流装置可切断电池的正极引线使得电流断开，从而达到保护的目的。
（3）隔膜遮断
在锂电池的隔膜中可设计电池在过充电、短路情况下的保护带，从而作为安全保护措施。
（4）PTC元件
防爆阀或防爆膜、机械连接装置以及隔膜一旦启用电池则会报废，因此，锂电池中加入了一个可逆的安全装置，即PTC元件。其处于引线断路器和正极盖之间，且跳闸温度要低于隔膜切断的温度。
（5）PCB电路板
PCB电路板是一种防止电池过充、过放、短路等管理功能的电子线路，某些安全性比较好的手机电池的电路板上还设置有温度保护、稳压保护和稳流保护等，能够全面的实现对手机电池的安全保护功能。
4.手机电池缺陷的危险性分析
对于手机电池来讲，其充放电过程中伴随着化学能和电能的转换，此处从能量转移的角度对手机电池的危险源进行辨识：
通过对手机电池内部结构及工作原理进行分析，热能异常转化路径如下：a）电芯自身材料选择及设计制造工艺缺陷，导致电芯原有的对手机电池的保护机制失效；b）外界环境高温、电池材料热稳定性缺陷、PCB电路板高温以及散热能力缺陷导致电芯内部的热量积聚，内部温度升高诱发化学反应放热；c）超寿命使用等不良使用习惯，导致电芯内部有锂枝晶产生或正负极塌陷，使得极化现象严重，大量电能向热能异常转化而诱发化学反应放热。
手机电池的安全装置主要包括防爆阀或防爆膜、电流遮断装置、隔膜切断装置、PTC元件和PCB電路板。此五种安全装置同样是手机电池故障的危险源。
手机电池外壳及电芯外壳材料的散热能力、阻燃能力以及封装质量是否合格至关重要，二者均应采用设计制作技术优良的防火防爆外壳。 手机电池的设计及制造工艺对于手机电池的安全性至关重要。另外，部分商家为追求高利益而生产的劣质电芯，会影响电芯的内部结构及材料的稳定性，使电池在工作过程中极易导致短路的发生。
此外，电池发生漏液，与制造工艺密切相关。例如手机电池的制造过程中，在焊接电池或电芯外壳时，由于焊接不牢固、不密封，有漏焊、虛焊，焊缝有裂缝、裂口等原因导致的电池或电芯外壳封装不合格。而此类情况使得电池电芯失去保护，一旦出现漏液，便会导致极其严重的后果
使用者的危险行为是手机电池缺陷发生的一大原因。其中，针刺、挤压以及撞击等机械损伤不仅会导致电池短路，还容易造成电池漏液，使得能量意外释放，导致危害的发生。另外，当电池超寿命使用时，电芯内部材料极易破损，热稳定性降低，容易导致电池短路及产热量增加，提高事故发生的概率。
手机电池的使用环境是必不可少的一个环节。其中，高温环境不仅能够为电芯的副反应提供热量来源、降低手机电池的散热能力、增加热保护电路电子元器件的失效率，从而增加手机电池由于热量积聚而导致的热缺陷；还容易使得电芯内外出现压力差，提高电池漏液缺陷发生的可能性。环境湿度过大会降低电池散热能力且易导致漏电、短路现象的发生。此外，当手机电池长时间在低气压的条件下使用时，会增加电池漏液的危险。
因此，手机电池的缺陷主要表现在：手机电池固有的稳定性、手机电池缺陷的触发因素、手机电池自身安全防护系统以及手机电池电芯故障后的防护系统四大类。所以，对于消费者在选用手机的时候，电池的稳定性和安全性也是必须要考虑的因素之一。通过本文的简单分析，使大家对手机电池的危险产生根源有一个大概的认识，指导平时手机的使用，避免危险的出现。
参考文献：
[1]赵小梅. 锂离子电池负极材料Li4Ti5O12/TiN的制备及其电化学性能研究[D]. 苏州大学， 2012.
[2]黄可龙， 王兆翔， 刘素琴. 锂离子电池原理与关键技术[M]. 化学工业出版社， 2008.
[3]陈波. 便携式锂电池安全试验方法研究[D]. 苏州大学， 2014.
作者简介：
雷振超，出生年月：1986.07，性别：男，民族：汉，籍贯：河南南阳，当前职称：工程师，学历：本科，研究方向：通信.
关键词：手机；锂离子电池；安全
近年来，随着科学技术的发展，手机质量在不断提升，价格在逐渐下降，再加上人民经济能力和生活水平的提高，我国手机的普及率在不断上涨。根据数据统计：截止到2015年年底，中国手机普及率已达到92.49部/百人，手机网民数量达7.8亿，占全国人口数量的56.9%，手机已成了多数人的必需品。即时通讯、拍照、看视频、收发邮件、查看网页等，现在流行的智能手机拥有各种各样人性化的功能；苹果、三星、诺基亚、华为、小米、魅族等，手机的品牌也在不断增多；与此同时，手机本身的缺陷及弊端也在不断暴露。近年来，手机过热、手机死机、手机待机时间过短、手机频繁自动关机等问题屡见不鲜，甚至还出现三星Note 7爆炸事件，而手机所出现的这些故障又与手机电池缺陷息息相关。
手机电池是为手机提供电力的储能工具，其主要由锂离子电池芯、保护电路及外壳三部分组成。常用的手机电池一般分为三种：镍-铬类、镍-氢类和锂离子类。相较于镍-铬电池和镍-氢电池，锂离子电池具有工作电压高、比能量大、重量轻、无污染、能量密度高且无记忆效应等优点，故占据目前手机电池市场的主流。因此，本文将研究对象设定为广泛应用的锂离子电池组。
1.锂离子电池组的组成
（1）锂离子电池芯
锂离子电池芯是指含有锂离子的能够直接将化学能转化为电能的装置，一般分为铝壳电芯、软包电芯和圆柱电芯三种，手机电池通常采用的为铝壳电芯。该装置包括电极、隔膜、电解质、容器和端子等，并被设计为可充电。
电极是电池的核心部分，由活性物质和导电骨架构成。正负极活性物质是电能产生的源泉，是决定电池基本特性的重要组成部分。负极主要是各种碳材料，包括石墨化碳材料和无定形碳材料。
隔膜是由高分子聚烯烃树脂做成的微孔膜，隔膜的基本功能是阻止电子传导，同时在正负极之间传导离子，从而将锂离子电芯的正负极分开，避免正负极接触发生短路。
电解质是锂电芯的主要组成之一，主要承担着通过电池内部在正负极之间传输离子的作用，其对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性能都有重要的影响。
端子是锂离子电池与外部导体连接的部件，主要起传递信号或导电的作用。手机电池一般有三个端子，分别是两个工作端子和一个记录测试电池参数的端子。
（2）保护电路
锂电池的保护功能通常由保护电路板和热敏电阻PTC协同完成，保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流，即时控制电流回路的通断。保护板可实现电池组各单体电池的均充，有效地改善串联充电方式下的充电效果。同时检测电池组中各个单体电池的过压、欠压、过流、短路、过温状态，保护并延长电池使用寿命。
（3）外壳
锂离子电池外壳的作用主要是起到保护锂离子电池内部材料不受损害的作用，主要有钢壳、铝壳和铝塑膜等材质。
2.手机电池的工作原理
锂离子电池的工作原理分为充电和放电两个过程。充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，通过电解质扩散到负极，并嵌入到负极晶格中，同时得到由外电路从正极流入的电子，放电过程则与之相反。
3.手机电池自身的安全保护措施
为了营造安全的工作条件，设计者们在设计之初便从手机电池的电压、内部温度和内部气压三个方面设计了其自身的安全保护措施，以提高电池的安全性能，主要包括以下几个方面。
（1）防爆阀或防爆膜
防爆阀或防爆膜是指在电池壳体或上盖特定部位设计的安全装置。当电芯内部气压反常增加并超出正常范围时，防爆阀或防爆膜就会变形爆开以释放压力，从而保护电芯不发生爆炸。
（2）机械连接
当电池内压因异常而升高时，电流断流装置可切断电池的正极引线使得电流断开，从而达到保护的目的。
（3）隔膜遮断
在锂电池的隔膜中可设计电池在过充电、短路情况下的保护带，从而作为安全保护措施。
（4）PTC元件
防爆阀或防爆膜、机械连接装置以及隔膜一旦启用电池则会报废，因此，锂电池中加入了一个可逆的安全装置，即PTC元件。其处于引线断路器和正极盖之间，且跳闸温度要低于隔膜切断的温度。
（5）PCB电路板
PCB电路板是一种防止电池过充、过放、短路等管理功能的电子线路，某些安全性比较好的手机电池的电路板上还设置有温度保护、稳压保护和稳流保护等，能够全面的实现对手机电池的安全保护功能。
4.手机电池缺陷的危险性分析
对于手机电池来讲，其充放电过程中伴随着化学能和电能的转换，此处从能量转移的角度对手机电池的危险源进行辨识：
通过对手机电池内部结构及工作原理进行分析，热能异常转化路径如下：a）电芯自身材料选择及设计制造工艺缺陷，导致电芯原有的对手机电池的保护机制失效；b）外界环境高温、电池材料热稳定性缺陷、PCB电路板高温以及散热能力缺陷导致电芯内部的热量积聚，内部温度升高诱发化学反应放热；c）超寿命使用等不良使用习惯，导致电芯内部有锂枝晶产生或正负极塌陷，使得极化现象严重，大量电能向热能异常转化而诱发化学反应放热。
手机电池的安全装置主要包括防爆阀或防爆膜、电流遮断装置、隔膜切断装置、PTC元件和PCB電路板。此五种安全装置同样是手机电池故障的危险源。
手机电池外壳及电芯外壳材料的散热能力、阻燃能力以及封装质量是否合格至关重要，二者均应采用设计制作技术优良的防火防爆外壳。 手机电池的设计及制造工艺对于手机电池的安全性至关重要。另外，部分商家为追求高利益而生产的劣质电芯，会影响电芯的内部结构及材料的稳定性，使电池在工作过程中极易导致短路的发生。
此外，电池发生漏液，与制造工艺密切相关。例如手机电池的制造过程中，在焊接电池或电芯外壳时，由于焊接不牢固、不密封，有漏焊、虛焊，焊缝有裂缝、裂口等原因导致的电池或电芯外壳封装不合格。而此类情况使得电池电芯失去保护，一旦出现漏液，便会导致极其严重的后果
使用者的危险行为是手机电池缺陷发生的一大原因。其中，针刺、挤压以及撞击等机械损伤不仅会导致电池短路，还容易造成电池漏液，使得能量意外释放，导致危害的发生。另外，当电池超寿命使用时，电芯内部材料极易破损，热稳定性降低，容易导致电池短路及产热量增加，提高事故发生的概率。
手机电池的使用环境是必不可少的一个环节。其中，高温环境不仅能够为电芯的副反应提供热量来源、降低手机电池的散热能力、增加热保护电路电子元器件的失效率，从而增加手机电池由于热量积聚而导致的热缺陷；还容易使得电芯内外出现压力差，提高电池漏液缺陷发生的可能性。环境湿度过大会降低电池散热能力且易导致漏电、短路现象的发生。此外，当手机电池长时间在低气压的条件下使用时，会增加电池漏液的危险。
因此，手机电池的缺陷主要表现在：手机电池固有的稳定性、手机电池缺陷的触发因素、手机电池自身安全防护系统以及手机电池电芯故障后的防护系统四大类。所以，对于消费者在选用手机的时候，电池的稳定性和安全性也是必须要考虑的因素之一。通过本文的简单分析，使大家对手机电池的危险产生根源有一个大概的认识，指导平时手机的使用，避免危险的出现。
参考文献：
[1]赵小梅. 锂离子电池负极材料Li4Ti5O12/TiN的制备及其电化学性能研究[D]. 苏州大学， 2012.
[2]黄可龙， 王兆翔， 刘素琴. 锂离子电池原理与关键技术[M]. 化学工业出版社， 2008.
[3]陈波. 便携式锂电池安全试验方法研究[D]. 苏州大学， 2014.
作者简介：
雷振超，出生年月：1986.07，性别：男，民族：汉，籍贯：河南南阳，当前职称：工程师，学历：本科，研究方向：通信.