分析手机电池爆炸的原因

相对于Samsung,Apple在电池方面一直相对保守稳健,电池容量和充电上限电压都要低于Samsung.与GalaxyNote7上采用4.4V高压LCO不同,Apple最近发布的新一代iPhone7的电池容量只有2900mAh,并且仍然采用的是与iPhone6系列相同的4.35VLCO正极材料.Apple之所以在电池上采取偏保守稳健策略,笔者个人认为主要还是基于安全性考量,Apple宁可稍微牺牲电池容量和能量密度也要确保安全性.事实上,Apple增加电池续航的做法更多地是通过优化软件和芯片设计.

笔者个人倾向于认为,Note7电芯生产工艺上的某些缺陷是导致此次大规模事故的另外一个重要的原因.Note7的软包电芯可以1.2C直充快充,能量密度超过720Wh/L.为了达到这么高的能量密度,那么就必须进一步提高电极的压实密度,并且进一步增加电芯的卷绕紧张力.

从机械结构角度而言,过高的卷绕紧密度(张力)会使得R角处极片宏观界面更加不均匀,正负极曲率匹配度更差、隔膜褶皱加剧,从而加大负极析锂的概率,这一点从常规软包卷绕JR满充拆解电芯的常规观察中即可发现.本来高能量密度电芯JR的R角处在1C充电后就是析锂的高发区域,更不用说这次是采用了"极限设计"之后了.

根据一位SamsumgSDI员工所披露的内部分析报告显示,SDI为了提升电池安全性,改进了电池底部short以及正负极tab与极板焊接所产生的short,但是电池上部R角仍然出现了短路问题.如果R角存在偏绕不良或者磕伤,那么就可能导致正负极接触而发生内短路.

另一方面,这些极端的工艺措施必将放大各种生产和设计上的局限,比如极片上有一点工艺缺陷、一个金属小毛刺、活性材料的粉末涂覆不均匀造成的粗燥等等,在充放电过程中不对称应力的作用下,都将会增加电芯内部正负极内短路的几率.过度施加压力会造成电池内部不均匀应力增大,尤其对于叠压在一起的正负极极片,如果有部分区域的内应力很大,那么这部分区域的电化学甚至机械性能就会和电池内部的其他区域产生差异,比如说某个区域过热会形成梯度,甚至热胀冷缩系数和其他部分也不一样,从而造成鼓包甚至内短路发生.

笔者这里要强调的是,这次Note7大规模事故应该是一系列问题综合作用的结果,而非仅仅是因为某个特定原因.为了一味追求性能指标而过度增加电池内部的机械压力而埋下一个隐患,被放大的工艺缺陷可以成为导火索,但笔者觉得另一个导火索可能与三星鼓吹的快速充电有关.

从电芯层面而言,锂离子电池的倍率性能一方面受到正极/电解液/负极电极材料搭配体系本征传输特性的制约,另一方面极片工艺和电芯结构设计也对倍率性能有较大影响.但是从最本征的载流子传导与输运行为而言,锂电并不适合"快充".在大倍率充电条件下,LCO材料的晶格容易受到破坏而引发与电解液的放热副反应,负极石墨片层同样也可能受到损害甚至发生析锂,这些因素不仅加速电池容量的衰减并且带来安全隐患,尤其是在电池升温的情况下上述问题将更加严重.

从极片工艺角度而言,过高的压实和loading都会增大极化,尤其是在高倍率下.而且卷绕结构的单极耳电芯本身就不太适合在高倍率工况下工作,更何况为了提升电芯能量密度还要减窄减薄极耳,这就进一步恶化了内阻.一般而言,叠片工艺对高倍率快充电芯更为合适,只是目前在消费电子领域的应用还不太多.

SamsungSDI在Note7上采用了一些新的电池设计.一般而言,新电池从设计到量产实现是有一定过程的,这个期间一般都会出现不稳定的情况也就是良品率不高的问题.Samsung急于跟iPhone7抢时间提前发布,会不会因为追求产量而在一定程度牺牲良品率?

笔者个人认为,SamsungSDI和ATL这样国际大厂,次品率可以控制到ppm量级.旗舰手机产品发布前第一批电芯的制作是绝对不允许出现纰漏的,Samsung方面一定会派人驻厂严加监控.因此从理论上而言,良品率的控制似乎不应该是此次Note7安全事故的主要原因.但是笔者坚持认为,如何平衡量产的良品率与工艺复杂性(成本)问题,则是电芯厂和手机厂商都不得不认真思考的.

综上所述,我们可以简单总结一下Note7电池发生事故的原因:为了生产高能量密度的薄电池—选择4.4V高压LCO体系搭配超薄膈膜—给极片和电极施加机械压力—充放电导致电池内部内应力不均匀/副反应导致发热—正负极之间接触而短路的机率增大—各种制造、材料等缺陷被放大—快速充电—电池过热/形变—各种缺陷进一步放大—电池内短路—电池完全进入热失控—电池燃烧/起火/爆炸.

三星事故是偶然吗?

笔者个人认为,此次Note7事故看似偶然实则必然.这是对当前业界比拼硬件功能,单纯片面地通过挑战锂离子电池电极材料和电芯生产工艺的极限来追求高能量密度(长续航时间)的一种警示.虽然说大容量电池、快充、防水防尘、无线充电都是酷炫的功能,但是把这些功能都拼凑在一起则有可能带来一些意想不到的问题,GalaxyNote7手机大范围起火爆炸证明这种努力实际上起到了适得其反的作用.

在技术没有完全成熟的情况下,如果一味地盲目追求高技术指标,那结果只能像三星这次一样步子迈得太大扯着了蛋.当年波音为了标榜自己技术先进在787"梦幻"客机上率先将"不先进不环保"的镍镉电池(镍镉电池由于可靠性极高一直是特种业的主流电源)替换成锂离子电池,后果同样极其严重.

Note7电池大部分由韩国SamsungSDI生产,中国销售的则由ATL提供电池.最近国行版的Note7也发生了爆炸事件,引发了业界对ATL的质疑.笔者这里要强调的是,不论是给Samsung还是给Apple生产电池,ATL都必须与客户多次反复讨论严格按照手机厂家的技术要求和规范进行,产品方才可以定型.也就是说ATL自身在原材料和电化学体系的选择、电芯生产工艺以及电池检测标准方面自由发挥的余地其实是很有限的,由于ATL自身设计和生产失误导致Note7电池大规模事故的可能性基本上可以被排除.

ATL能够得到Samsung、Apple和华为等国际主流厂商的认可向他们提供高品质的电池,笔者并不认为ATL的电池生产技术存在问题,更倾向于认为国行版的Note7电池问题主要在于SamsungSDI所要求的电化学体系以及工艺技术的规范和标准等方面.