2013年3月31日 星期日

[手機]手機電池技術詳解:鋰電池為何會著火?






目前,大多數手機都採用了鋰電池,以前則是鎳鎘電池

  導語:美國IT網站PCWorld撰文,詳細闡述了流動設備所使用的鋰電池的原理、缺陷以及未來發展趨勢。

  以下為文章全文:
  化學原理

  流動設備中使用的電池是化學工程的傑作:將大量的電量存儲在一個小小的方塊中,就可以讓流動設備持續運行好幾個小時。它是怎麼工作的?如何才能發揮它的最大效用?

  現代流動設備多數都使用鋰電池,主要包含兩個部分:一對電極和存在於它們之間的電解液。電極的材料有很多種,可以是鋰,也可以是石墨,甚至可以是納米線,但無一例外都要依賴鋰這種化學成分。這是一種活性金屬,因此容易與其他元素合成。純鋰的活性極高,甚至會在空氣中自燃,所以多數電池都使用更加安全的鈷酸鋰。

  兩個電極之間是電解液,通常是一種液態有機溶劑,使得電子可以在其中流動。當鋰電池充電時,鈷酸鋰分子可以俘獲電子,然後在電池使用過程中釋放電子,從而支援手機的運行。

  鋰電池是最常見的一種電池,因為它可以在最小的空間內存儲最多的電量。這需要通過能量密度來衡量,也就是每千克電池所能存儲的電量,以瓦時(wh)為單位。鋰電池的能量密度一般在150至250瓦時/千克之間,而鎳氫電池僅為100瓦時/千克。換句話說,鋰電池比其他類型的電池更小、更輕,因此能夠壓縮設備的體積,但依然可以保持較長的電池續航時間。

  上述化學過程可以歸納如下:設備中的電池可以存儲電量,之後,內部的化學物質便會以任何可能的方式釋放電量。但這同樣會出現問題,例如,最新的波音787夢想客機的電池就會在飛機停靠時出現著火故障。

  這是鋰電池的缺陷之一:倘若電池放電過度,內部的化學物質便會分解,生成過量的氧化鋰,從而燃燒,並生成更多的氧化鋰,如此反複。化學家稱之為“熱失控”,普通人看到的是著火,這也是波音787被美國航空管理局(FAA)禁飛的原因。由於電池被刺破後也會發生同樣的情況,因此美國運輸安全管理局(TSA)建議飛機乘客將電池小心放置於隨身行李中,而不要託運。

  電池容量

  電池容量的單位是毫安時(mAh),代表的是一塊電池所能提供的整體電量。例如,倘若一塊電池容量為1000毫安時,便可以在1小時內持續供應1000毫安的電流。如果你的設備電流為500毫安,那麼這塊電池的使用時間大約為2小時。

  不過,一款設備的電池續航時間要更加複雜一些,因為特定設備的具體耗電量取決於它所執行的任務。倘若這款設備的螢幕點亮、無線傳輸功能開啟、處理器全速運行,便會比螢幕關閉、無線傳輸功能關閉、處理器閒置時消耗更多的電量。

  正因如此,消費者應當更加謹慎地對待廠商宣稱的電池續航時間──他們可能會通過調低螢幕亮度,或是關閉部分組件的方式來延長續航時間。如果你感到好奇,可以使用一些專門的應用來監測流動設備的耗電量和電池狀態,Android中的Battery Monitor Widget和iOS中的Baterry Life Pro都可以實現。

  控制電流

  由於有可能著火,所以必須對鋰電池進行嚴密控制。電池廠商通過充電控製器來管理電流,從而實現這一目的。事實上,每一塊電池都內置有一台小型電腦來防止其過度放電。這個組件還可以控制充電期間進入到電池中的電流,在即將充滿時放緩電流,避免過度充電。



手機充電時,最後一部分電量需要花費更長時間才能充滿

  為了展示這一過程,我們對 Samsung Galaxy Note手機進行了充電,並測量了整個過程中的電流,而且與對應的電量比例進行了對比。從上圖可以看出,充電初期的電流最高,之後逐漸降低。最後一部分電量的充電時間很長,原因是控製器在放緩電流,避免電池過衝。

  未來發展

  電池技術一直在進步,全球各地的很多實驗室都在研究新的電池技術,以便取代鋰電池,或是開發更高級的鋰電池技術。

  在這些新技術中,很多都用到了超級電容,從而在瞬間存儲電量,然後瞬間釋放,效果類似於閃光燈。由於幾乎不涉及化學反應,超級電容可以大幅加快充電時間,但目前的超級電容只能在一瞬間釋放電量,不符合多數流動設備的要求。



Nectar燃料電池

  能夠利用氫元素發電的燃料電池也將很快誕生。今年1月的拉斯維加斯國際消費電子展(CES)上展示的Nectar燃料電池系統可以使用10美元的燃料桶來支援手機運行兩個星期。然而,燃料電池的體積還不夠小,無法安裝在手機中──Nectar系統只能為手機內置的鋰電池充電,但卻無法取代鋰電池。

  硫磺最終也有可能用到鋰電池中。美國斯坦福大學的科學家最近就開發了一種電池技術,可以利用納米技術將硫磺加入到現有的化學成分中,最高能將鋰電池的能量密度提升5倍,而且還能延長使用壽命。不過,這種技術無法在幾年內投入市場。(鼎宏)



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