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漫谈锂电池爆炸的前世今生:前有索尼 后有三星
2016-10-19 10:30:07
关键词:锂电池爆炸索尼三星

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强者能把危机变成转机,弱者却让危机成为万劫不复的深渊。三星Note 7事件的发酵让锂电池的安全问题重新成为焦点,业界巨头呕心沥血的倾心之作毁于一旦。有人感叹造化弄人,有人不齿官方的公关态度。

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  近年来,随着智能手机对电池需求的日益增长,电池起火爆炸的报道就从没停歇过。然而,这一幕幕早已在多年前就发生过。

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  同样是身处高位的电子巨头索尼,其地位比起三星有过之而无不及,何况索尼的另一个身份是锂电池商业化的始祖。

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  2006年,索尼生产的锂电池出现严重质量问题,安装其生产锂电池的笔记本电脑有起火的隐患。当年,索尼耗费4亿美元召回了近1000万个电池,成为IT界年度丑闻之首,锂电池不安全的传言不绝于耳。

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  2006年使用索尼电池的戴尔电脑在某次会议上突然起火。然而,比起这段黑历史,锂电池的故事还有更多。从一开始,锂电池的路就走得十分坎坷…

  人类对保存电能的想法早在两千多年就有尝试,从后来的莱顿瓶到出具雏形的伏打电池,随着人类对电的认识由宗教巫术到物理现象,电池也逐渐地发展成为我们生活中重要的设备。

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伏打电池:用不同的金属盘间隔排列,金属间夹有浸过盐水的布

  索尼在1955年首次在自己的收音机产品上使用干电池,而后两年又设计出了“006P”9V干电池,沿用至今。虽然索尼对电池领域的涉及并不算早,但在日后却出人意料地开发了一款改变世界的产品。

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各种品牌的006P电池,最右为索尼

在六七十年代,摄像机等电子设备十分繁荣。二次电池的体积与容量逐渐成为了瓶颈。

  二次电池指能够循环使用的可逆电池,俗称充电电池。当时业界面临的是二次电池的三座大山:“笨重”,“电量不耐用”,“充电时间长”。

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  家庭录像机是当时最需要大容量电池的产品,八十年代,索尼推出了创世纪的便携播放器Walkman。

  除了索尼惊人的研发能力以及对市场的准确判断,背后坚实的技术后盾则是小型化的镍镉电池(Ni-Cd)。

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为Walkman设计的小型电池,俗称口香糖电池。

  镍镉电池的容量相对于古老的铅蓄电池自然是有大幅的提升,可是依旧无法满足当时工艺水平下的集成电路功耗。而且镍镉电池面临着一个非常棘手的问题--环境污染,由镉污染引发的“痛痛病”成为了企业最亟待摆脱的罪状。

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1971年,痛痛病患者与律师等待判决

  正是由于以上的原因,索尼做出了研发新电池的决定。纵观元素周期表,锂的电极理论容量密度是仅次于氢,但由于氢的气体状态的特殊性,技术可行性较低。锂自然就成为索尼研发的重点关照对象。

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锂元素是优秀的电池电极材料

  早在八十年代中期,索尼旗下的索尼能源技术部就接到了这艰巨的任务。索尼作为二次电池的新军,为大力研发做出了很多惊人的举动,包括直接任命公司高管为研发小组组长,给予研发组最高的便利。实验仪器储备量是使用量的几倍,正负极材料和电解液也大量备货。

  虽然索尼通过种种手段为研发清出一条通畅的大道,但研发所面临的困难是真真切切的棘手,最基础的正负极材料和电解液的组合据称达1.1亿种。

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几种锂电池方案的参数

  为了鼓励和推进锂电池的研发,索尼在各个团队的竞争中挑选出了一种以LiCoO2 和C为电极的方案,以这种组合研制出的产品成为日后锂离子电池的基础。

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钴酸锂的结构允许锂离子在中间移动

然而事情没有这么简单,专利问题就像是迅雷下载的那最后的0.1%,完成这0.1%所花费的时间可能超过前99.9%的。索尼根据自己在1980年申请的氧化银专利得到灵感,以Li代替AgNiO2中的Ag,也可以制成可行的摇椅电池。摇椅电池,指电池在充放电时不发生氧化还原反应,通过离子的迁移来产生电势差,类似摇椅左右摇摆的过程

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摇椅电池原理示意

  本想着有先行专利作为基础,在知识产权上应该有利,可没成想,Goodenough与Wiseman的LiNiO2电极专利比索尼来得更早。这两人的名字和专利都给索尼项目组上上下下造成了非常大的打击,好在Goodenough没有辜负他的名字。索尼在专利没有被广泛认可时就与之交涉,发明者也并没有刁难,而让索尼以比较有利的条件取得了授权。

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锂电池先驱Goodenough

  经过好几年的实验与研发,索尼终于在1992年推出了锂离子电池(LIB),然而看似成功的背后确是苦难的起点。就在索尼电池工厂建成前,离庆功宴还有几天的时间,工厂生产线上传来了噩耗,量产的电池性能远低于试产的产品。研发团队紧急召开会议研究原因,会议结束时庆功宴早已结束。“我当时甚至想到新工厂非得改成保龄球馆不可了”昔日厂长感慨道。

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索尼郡山工厂落成仪式

  经过讨论与实验,终于找到了生产工艺的巨大问题,其实只是简单的工艺顺序问题,电极材料硬碳的粉碎与煅烧颠倒了。这样一个本以为是“先加奶还是先加茶”的无关紧要的事项,差点就让锂电池的商业化胎死腹中。

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  紧急处理后面貌一新的锂电池又恢复了生产,并且也终于通过了家用摄像机部门的质检。此时,已经是摄像机部门指定供货期限的最后一天。横空出世的锂电池同时也打破了尺寸的常规:直径18mm、长度65mm,也就是当今广泛采用的18650锂电芯

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18650锂离子电池

  锂电池经历了诞生后的一小段静寂终于迎来了春天。1994年,美国最大的个人电脑产商戴尔宣布采用锂电池,并宣传 “配备LIB的笔记本可以在飞机上从纽约用到洛杉矶”。自那以后,索尼的锂离子电池在行业的地位与日俱增。

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戴尔

  正所谓天将降大任于斯人也,必先苦其心志。就在索尼的锂离子电池市场反馈良好、产量爬坡之时,1995年,索尼郡山工厂发生严重火灾。超过100万块的电池被烧毁,其严重性堪称空前。

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郡山工厂失火时的照片

  经过调查取证,怀疑此次的火灾是由接受老化测试的电池引起的。

  老化测试简单来说即静置电池一段时间后检测其自放电程度,作用有二,一是通过老化测试剔除掉压降幅度较大的不合格电池,二是让电池内部形成固体电解质界面膜,提高锂电池的安全性。理论上没有进行充放电的电池不可能起火。可是除此之外,并没有调查出起火的原因。

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老化测试是电池出厂前的重要检测环节

  眼看着才出生的锂电池就要被扣上“危险品”的帽子,这不仅意味着工厂存放电池将会面临很多困难,而且舆论对锂电池的印象也将彻底改变。一念之差,索尼的电池产业将可能土崩瓦解。

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锂电池不安全的言论迅速传开

  索尼起初怀疑的是测试电池过程中的意外引发的火灾,而经过多次的重复实验流程,并没有发现明显的失火可能。最终发现是由于工厂为了降低成本,没有采用阻燃性的托盘材料。意外产生的小火苗会瞬间蔓延开来,但起火的真正原因依旧是谜。在事故发生9个月后,索尼方面与东京消防厅交涉,长达4个小时的讨论终于得出了锂离子电池不属于危险品的结论。虽然有惊无险,但是也付出了巨大的损失。刚刚喘上气,索尼便着手改进锂电池的安全性。

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  为此,索尼先后研发了多种针对锂电池内部缺陷的安全保障措施

  机械连接:当电池内部压力过大时,连接装置会切断正极引线断开电流

  隔膜断流:当电池温度升高时,隔膜融化堵塞微孔,阻止离子迁移

  可逆装置:当电池温度升高时,元件内碳颗粒接触减少,电阻增大限流

  保护电路:监控电池电路,防止电池过度充放电,降低故障率

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锂离子电池结构,其中safety vent为机械连接结构

  除了以上各种电池的保护措施,索尼也加强了电池的出厂检测。其中包括用钉子贯穿电池要保证不冒烟不起火,用钢棒挤压电池至高度为原直径的四分之一不能出现异常。所有的测试都是在最严格最苛刻的条件下进行。

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  可尽管是这样,索尼还是没有杜绝意外事故的发生。2006年6月,在某个会议上,一台戴尔笔记本电脑突然起火,其装配的电池正是由索尼生产的大容量锂离子电池。

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  随着媒体对当时起火的照片疯狂传播,两个月后,戴尔方面宣布召回410万块可能引起着火的笔记本电池,同时启动对索尼电池安全性的全面调查。同年10月,索尼召开新闻发布会,公司高管向消费者鞠躬道歉。

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索尼召开新闻发布会道歉

  截至10月份,索尼已大规模召回各品牌笔记本的电池,涉及大约1000万块,为此索尼支付了4.44亿美元,并给出了电池的故障报告,称是生产中混入了金属微粒导致。

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时任索尼CEO公开道歉

  实际上早在锂电池诞生之初,有些问题就已经存在,并且直至现在也没有完全从根源上解决,其中较为棘手的便是电池充电时析出的锂结晶。结晶呈树枝状或针状,可能会穿透隔膜造成内部短路,亦或是从电极上脱落,导致容量降低,也就是所谓的劣化循环。

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电极析出的树枝状结晶

  直到近几年,仍有使用劣质充电器导致手机充电起火的事件,手机电池的循环次数容量衰减也依旧是消费者不满意的点。

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  三星电池爆炸事件也是当今电池技术滞后的一个体现。电子设备对电量的需求越来越大,电子产品内部环境也愈发局促。有猜测指出,三星此次电池爆炸的原因来自手机内部的布局,为曲面屏牺牲了电池仓稳定的环境,外力易导致电池内部短路。

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  锂电池从诞生一路坎坷,但也带来今天繁荣的电子数码行业,无论如何都是历史上不可磨灭的一项划时代的发明。如今第一次将锂电池商业化的索尼已经出售了其大部分电池业务,此举是索尼为降低亏损还是暗含着另一番意味?

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  福兮祸兮?终究事在人为。

稿件来源: SME-Talk
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