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美国科技网站TheVerge近日撰文对手机电池爆炸的各种原因和科学道理进行了详细的解释。下面是文章的主要内容。
手机爆炸看起来似乎一件怪事，但手机电池的化学性质决定它们确实有可能着火并爆炸。三星最近宣布召回新款智能手机Galaxy Note 7，因为该机电池具有潜在危险。
如果手机电池发生爆炸，责任往往在厂家，因为它们在生产过程中没能确保电池不会爆炸。电池爆炸可能是厂家将技术推向极限的结果。手机屏幕越大、功能越强大，就需要越多的能量，而我们大多数人总是希望电池续航时间越长越好，充电速度越快越好。
美国康奈尔大学(Cornell University)的材料科学家Lynden Archer表示，从理论上讲，我们已经可以使锂电池续航时间达到极限值的近90%。所以，各大手机厂商都在向极限努力，希望获得尽可能长的续航时间。
“智能手机制造商都希望获得最长的电池续航时间，这有点像在进行一场军备竞赛。”Lynden Archer说。“这种趋势正在产生另一种趋势：电池事故越来越容易发生。”
三星将Galaxy Note 7的召回归咎于如下事实：在部分手机上，原本不能互相接触的电池阴阳两极触碰到一起。但是，可充电锂离子电池爆炸也有其他常见的原因，这通常是因为我们对手机性能要求越来越高。
要了解电池的安全问题，我们需要了解电池的工作原理。电池相对的两侧有两个电极（或叫电导体）。其中一个电极含正电离子，被称为阴极。阴极里充满锂元素，它是“燃料”存储的地方。另一个相对的电极含负电离子，被称为阳极。
在充电期间，锂离子从阴极移动到阳极。当电池使用时，锂离子向相反的方向移动。在阴极和阳极之间的是被称为电解质的化学物质，它们能够帮助电离子移动，传导电流。虽然电离子需要从一侧移动到另一侧，但阳阴两极本身绝对不能接触。为了防止这种情况发生，电池制造商在阴阳两极之间插入了隔板。
充电过满或充电过快 电池可能爆炸
Galaxy Note 7的电池问题是：隔板有缺陷，阴阳两极触碰到一起。“这被认为是最糟糕的失败，因为它极有可能会引起火花，甚至可能发生爆炸。”Lynden Archer说。当两个电极接触时，电能直接流向中间的电解质而非两侧的电极。
电解质本身是不太稳定的，电离子在其中的移动也会不稳定。当有大量的热量产生时——无论是通过两个电极互相接触还是仅仅因为外部过热——电解质可能会与其他化学物质发生反应，产生气体，释放更多的热量。随着化学反应的反复发生，气体以越来越快的速度释放越来越多的热量。这个过程将产生“热失控”，并可能导致起火。
这就是为什么许多手机在过热时会自动关机。但电池爆炸也可能是因为其他的原因。电池过度充电或充电过快都可能导致电池起火或者爆炸。
过度充电就像在水桶里装入太多的水。水桶里装入太多水不要紧，因为水会溢出。但对于电池来说，过度充电时，会有过多的锂元素进入阳极。过度充电并非是因为你将手机充了一整夜的电——大多数电池被设计成自动防止过度充电，而是因为制造商在生产过程中的差错导致电池电路出现故障，以至于不能阻止过度充电。
普林斯顿大学的材料科学家Dan Steingart表示，电池就像一个橡皮筋。当你对电池进行充电时，就好像你在拉伸橡皮筋;当你使用电池时，就好像你在释放它。如果你将橡皮筋拉得太紧，它就会断裂。
科学家正在研究新型电解质
此外，充电太快也是一个问题。快速充电意味着在短时间内向电池充入太多的电能，这就是所谓“快速充电技术”的危险所在。如果充电器与电池不兼容（不管是什么原因），电池也可能短路。
我们可以将电池想象成两个鸡蛋板条箱。锂离子需要在这两个鸡蛋板条箱之间穿梭，以便稳妥地堆积在里面。如果你缓慢充电，锂离子有足够的时间在板条箱里找到自己的位置。但是，如果充电过快，或者充电过度，锂离子就会在板条箱外面堆积起来。然后，每次充电时锂离子都会自我堆积，形成被称为“树突”的针状结构，它们可以导致短路电池。
电池事故的另一个常见原因是制造商试图通过提高电压使电池储存更多电能。电压就像瀑布的高度，而电流就像流水的水量，瀑布越高，下面的流水就越多。同理，电压越高，电池里存储的电能就越多。所以，制造商试图通过在电池中加入像镍元素（或其他元素）使电压升高。但是，电压越高，电解质越容易产生化合作用，从而导致起火或爆炸。
一些科学家正在试图开发一种不容易起火的电解质。这些电解质被称为“离子液体”。Nohms Technology公司的首席技术官Surya Moganty表示，与一般电解质相比，“离子液体”需要更多的热量才会形成可燃气体。这种新型电解质要安全得多，但也有可能缩短电池续航时间。
电池技术在不断进步，但它的发展速度还赶不上我们对电池充电速度和续航时间的要求。手机制造商应该记住这一点，不要以安全为代价来满足我们的要求。
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新的蓄电池投进使用后，必须定期地进行充电和放电。充电的目的是使蓄电池贮存电能及时地恢复容量，以满足用电设备的需要。放电的目的是及时地检验蓄电池容量参数，及促进电极活性物质的活化反应。蓄电池充电和放电状况的好坏，将直接影响到蓄电池的电性能及使用寿命。目前对蓄电池充电的方法很多，选择科学公道的充电方法将会大大进步蓄电池的维护效果。
1 蓄电池常用的充电方法
1)恒定电流充电法
在充电过程中充电电流始终保持不变，叫做恒定电流充电法，简称恒流充电法或等流充电法。在充电过程中由于蓄电池电压逐渐升高，充电电流逐渐下降，为保持充电电流不致因蓄电池端电压升高而减小，充电过程必须逐渐升高电源电压，以维持充电电流始终不变，这对于充电设备的自动化程度要求较高，一般简陋的充电设备是不能满足恒流充电要求的。恒流充电法，在蓄电池最大答应的充电电流情况下，充电电流越大，充电时间就可以缩短。若从时间上考虑，采用此法有利的。但在充电后期若充电电流仍不变，这时由于大部分电流用于电解水上，电解液出气泡过多而显沸腾状，这不仅消耗电能，而且轻易使极板上活性物质大量脱落，温升过高，造成极板弯曲，容量迅速下降而提前报废。所以，这种充电方法很少采用。
2)恒定电压充电法
在充电过程中，充电电压始终保持不变，叫做恒定电压充电法，简称恒压充电法或等压充电法。由于恒压充电开始至后期，电源电压始终保持一定，所以在充电开始时充电电流相当大，大大超过正常充电电流值。但随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。当蓄电池端电压和充电电压相等时，充电电流减至最小甚至为零。由此可见，采用恒压充电法的优点在于，可以避免充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失。但其缺点是，在刚开始充电时，充电电流过大，电极活性物质体积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度，致使其脱落。而在充电后期充电电流又过小，使极板深处的活性物质得不到充电反应，形成长期充电不足，影响蓄电池的使用寿命。所以这种充电方法一般只适用于无配电设备或充电设备较简陋的特殊场合，如汽车上蓄电池的充电，1号至5号干电池式的小蓄电池的充电均采用等压充电法。采用等压充电法给蓄电池充电时，所需电源电压：酸性蓄电池每个单体电池为2．4～2．8V左右，碱性蓄电池每个单体电池为1．6～2．0V左右。
3)有固定电阻的恒定电压充电
为补救恒定电压充电的缺点而采用的一种方法。即在充电电源与电池之间串联一电阻，这样充电初期的电流可以调整。但有时最大充电电流受到限制，因此随充电过程的进行，蓄电池电压逐渐上升，电流却几乎成为直线衰减。有时使用两个电阻值，约在2．4V时，从低电阻转换到高电阻，以减少出气。
4)阶段等流充电法
综合恒流和恒压充电法的特点，蓄电池在充电初期用较大的电流，经过一段时间改用较小的电流，至充电后期改用更小的电流，即不同阶段内以不同的电流进行恒流充电的方法，叫做阶段恒流充电法。阶段恒流充电法，一般可分为两个阶段进行，也可分为多个阶段进行。
阶段等流充电法所需充电时间短，充电效果也好。由于充电后期改用较小电流充电，这样减少了气泡对极板活性物质的冲洗，减少了活性物质的脱落。这种充电法能延长蓄电池使用寿命，并节省电能，充电又彻底，所以是当前常用的一种充电方法。一般蓄电池第一阶段以10h率电流进行充电，第二阶段以20h率电流进行充电。各阶段充电时间的是非，各种蓄电池的具体要求和标准不一样。
5)浮充电法
间歇使用的蓄电池或仅在交流电停电时才使用的蓄电池，其充电方式为浮充电式。一些特殊场合使用的固定型蓄电池一般均采用浮充电方法对蓄电池进行充电。浮充电法的优点主要在于能减少蓄电池的析气率，并可防止过充电，同时由于蓄电池同直流电源并联供电，用电设备大电流用电时，蓄电池瞬时输出大电流，这有助于镇静电源系统的电压，使用电设备用电正常。浮充电法的缺点是个别蓄电池充电不均衡和充不足电，所以需要进行定期的均衡充电。
2 蓄电池的快速充电方法
1)定电流定周期快速充电法
这种方法的特点是，以电流幅度恒定和周期恒定的脉冲充电电流对蓄电池充电，两个充电脉冲之间有一放电脉冲进行往极化，以进步蓄电池的充电接受能力。在充电过程中，充电电流及其脉宽不受蓄电池充电状态的影响。因此，它是一种开环式脉冲充电。这种充电方法易使蓄电池布满容量，但假如不增加防止过充电的保护装置，轻易造成强烈的过充电，影响蓄电池的使用寿命。在这种充电方法中，固然整个充电过程均加有往极化措施，但是这种固定的往极化措施，难于适合充电全过程的要求。
2)定电流定出气率脉冲充电放电往极化快速充电法
这种充电方法的特点是：在整个充电过程中，充电电流脉冲的幅值和蓄电池的出气率始终保持不变。充电过程初期，充电电流略低于蓄电池的初始接受电流。在充电过程中，由于蓄电池可接受的电流逐渐减小，所以经过一段时间后，充电电流将超过蓄电池的可接受电流，因而蓄电池内将产生较多的气体，出气率明显增加。此时，气体检测元件能够及时发出控制信号，迫使蓄电池停止充电，进行短时放电。这样蓄电池内部的极化作用很快消失，因而出气率可以始终保持在较低的预定值内。目前，国外有这样的方案。国内因缺少气体敏感元件， 对这种方法很少研究。
3)定电流定电压脉冲充电放电往极化快速充电法
这种充电方法的特点是，以恒定大电流充电，待充到一定电压(相当于蓄电池出气点的电压)时，停止充电并进行大电流(或小电流)放电往极化，然后再以恒定大电流充电，依此，充放电过程交替地进行。放电脉冲的频率随充人电量的增加而增加，充电脉冲的宽度随充人电量的增加而减少。当充电量和放电量基本相等时，表示蓄电池已布满电，立即结束充电。
根据这种方法，国内外都有多种方案来实现蓄电池快速充电。这种方法，充电初期无往极化措施。在加有往极化措施后充电脉冲宽度不断减小，使得充电电流均匀值下降较快，延长了充电时间。
4)定电流提升电压脉冲充电放电往极化快速充电法
这种方法是定电流定电压脉冲充电放电往极化快速充电方法的改进。它是以恒定电流(如IC)充电，当蓄电池电压达到充电出气点电压后(单格电池电压2． 35～2．5V)时，停止充电并进行放电(如放电电流2～3C，脉冲宽度为1ms)，然后再充电……。从加有放电往极化脉冲以后，用积分器件门路形跟踪调高充电控制电压(提升出气点电压)，以加快充电速度和进步布满程度。其它和定电流定电压法相同。
5)定电压定频率脉冲充电放电往极化快速充电法
这种方法的特点是，充电脉冲的电压幅值保持恒定，随着充电过程的进行，蓄电池电动势逐渐上升，充电电流幅值逐渐减小，充电脉冲电流的频率恒定，在两个充电脉冲之间加有放电往极化脉冲。
6)端电压和充放电频率选择脉冲充电放电往极化快速充电法
这种方法的特点是，根据蓄电池充电过程中的极化情况选择充放电脉冲的频率，并在充电后期将蓄电池端电压限定在预选的数值，使出气率限制在一定的容许值。
7)适应全过程往极化脉冲充电放电往极化快速充电法
这种方法的特点是，在充电全过程都适时加有往极化的放电脉冲，在放电脉冲后充电电流恢复之前，均进行往极化效果检测，达到一定往极化效果再转回充电，否则再次进行往极化放电，直至达到往极化要求的效果才转回充电，这样，可使往极措施适应全过程。这种方案能有效地将气体析出量抑制在很小的数值内。
3 蓄电池理想充电方法的探讨
自从1859年出现蓄电池以来，经过很多次的改进，蓄电池已在很多部分中得到广泛的应用。但由于人们对蓄电池充电制度熟悉的局限性，蓄电池充电一直沿袭旧的充电制度，致使蓄电池充电时间长。所以，蓄电池使用起来不方便，不能适应飞速发展的经济建设和国防建设的需要。
我国常规充电制度，是在缺乏对于充电规律熟悉的情况下，被迫采用的不公道的充电方法。常规充电方法的缺点就是充电时间长、效率低、出气量大、蓄电池的利用周转率低、充电治理制度繁杂等。这种充电制度的落后性与蓄电池应用的广泛性是存在着一定的矛盾的。为此，在充电领域内，必须加强对充电规律的熟悉和研究，逐步探讨一套既快又好的充电制度，以使蓄电池适应于各部分经济发展的需要和国防建设的需要。
1)三阶段充电法
目前的航空蓄电池充电均采用阶段恒流充电法。一般酸性航空蓄电池采用恒流两阶段充电法。碱性航空蓄电池采用恒流两阶段充电法或恒流一阶段充电法。但这种充电法在充电中间阶段阔别了充电电流接受率曲线，所以三阶段充电法更好一点。
三阶段充电法是两阶段等流充电法和恒定等压充电法相结合的方式。充电开始和结束时采用恒定电流，中间阶段为恒定电压充电。蓄电池在充电初期用较大的电流，经过一段时间改为恒定电压充电，当电流衰减到预定值时，由第二阶段转到第三阶段。采用三阶段充电法的优点是：避免了恒定电压充电法开始充电电流过大，而后期电流又过小的情况，比二阶段等流充电在中间阶段更接近充电电流接受率曲线。这种充电法减少了充电出气量，充电又彻底，延长了蓄电池使用寿命
定电流定电压快速充电法
以恒定大电流充电，当充到蓄电池的出气电压时，停止充电并进行放电，然后进行大电流充电，充放电过程依次交替进行。放电脉冲的宽度随充进电量增加，充电脉冲宽度随充进电量增加而减小。当充电量和放电量基本相等时，表明蓄电池已基本布满，立即结束充电。
地方上已有这种充电设备，其工作过程是三相交流电源经接触器、变压器及可控硅充电开关对蓄电池充电。待蓄电池电压达到出气点电压时，经过电压传感器检测并发出信号。此信号使充、放电状态控制器转为停止充电状态，并发出三个控制信号。第一个控制信号是关断充电脉冲发生器的信号。第二控制信号是开始往极化信号，它经过放电前停止充电延时电路延时(t1-t2)后，发出放电开始脉冲，打开放电开关，蓄电池开始向放电电阻放电并经过放电延时电路延时(t2- t3)后，发出放电关脉冲，结束放电。依次重复进行充放电过程，直至充电结束。第三个控制信号送给开始放电计时器，使其从第一次往极化放电开始计时，到预定的时间后结束充电，自动关机。用这种方法充电，蓄电池的充电和放电电流波形如图2所示。上述两种方法是蓄电池充电方法的改进方向。我国采用的快速充电方案很多，性能差异很大。各种充电方法对蓄电池的寿命影响也大不相同。这两种方法在理论上比较适合对蓄电池充电的要求。
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