Note 7 爆炸帶出的科學

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爆炸無分國界,說的是手機電池。Galaxy Note 7 出師不利,於全球多宗爆炸報告下,香港的消委會,以及多間航空公司禁止乘客在機上使用 Note 7 ,甚至禁止攜帶登機,而日前廠商終向消費者呼籲停用產品。雖然意外是意料之外,但手機電池的化學特性本身便是易燃和「會爆炸的」,換句話說,事故就是廠商防止爆炸失敗。為何電池本身是爆炸品?

電池着火焚燒後的三星 Galaxy Note 7 圖片來源: Ariel Gonzalez / YouTube
電池着火焚燒後的三星 Galaxy Note 7 圖片來源: Ariel Gonzalez / YouTube

開發電池有如軍備競賽,把危險的東西推至更危險,各大廠商想盡辦法要做出更輕更強的電池。現今的充電池大多數為鋰離子電池(lithium-ion battery),美國康乃爾大學物料科學家 Lynden Archer 指,目前的技術水平差不多已達到理論電池壽命極限的 90%。而他又表示,現時的生產趨勢容易使電池過度充電,使意外愈來愈普遍。

若要了解如何製造安全的電池,首先要了解電池的運作原理。電池有兩電極,或稱電導體,它們分置兩方。帶正離子的電極稱陰極(cathode),相反帶負離子的稱陽極(anode)。而在充電的過程,鋰離子則從陰極移向對面的陽極,也就是「燃料」存放的地方;在放電的時便相反移動。兩極之間的是電解質,用來幫助離子移動,而兩個電極並不能接觸,中間需要有分離器(separator)分隔開。

電極互相接觸

而 Note 7 出事的原因,就是分離器出現問題。三星早已在 9 月 2 日公布,事故原因是兩個電極接觸,引起過熱。Archer 表示,「這是最壞的情況,這肯定會起火,甚至爆炸。」因為所有在電池的能量,都去了中間的電解質裡。

另外,電解質本身就不太穩定,當溫度上升時,例如因兩極接觸,或純粹外部過熱,電解質便有機會與其他化學物進行化學反應,而產生氣體,同時釋放熱量,令電池熱上加熱,高溫又加速了氣體產生和熱量釋放,這就是所謂的「熱失控」(thermal runaway),令電池着火燃燒。

充電太快

另一原因導致電池爆炸,就是充電太快或過多。過度充電發生於過多鋰離子走到陽極。「電池其實可說是像一根橡筋」,美國普林斯頓大學物料科學家 Dan Steingart 如此形容。在充電的時候,就像拉緊一根橡筋,反之亦然;而提供太多能量則像把橡筋拉得太緊,毀壞電池。多數電池本身具防止過度充電的功能,但畢竟意外就是意外,功能失效的意外便不能防止。

經過多次放電和充電,部分鋰離子或不平整地鍍在電極,並沉積和形成針狀結構的「樹突」,減低電池效能甚或引發短路。 圖片來源:Nature

充電太快,即是電流太高,也是「快速充電」(Quick Charge)技術的危險。如充電器與電池不相容,電池也會短路失效。但充電太快的問題亦產生所謂「鍍層」(plating)問題。想像電池有如兩個蛋盒,鋰離子需要在蛋盒的空位之間安全停留,如果是慢慢地充電,鋰離子便有時間對準來回蛋盒;但充得太快,鋰離子則可能落在蛋盒之外,並沉積起來,形成針狀結構的「樹突」(dendrites),可導致電池短路。

電壓過高

最後常見的意外原因是電池的電壓過高。電壓是量度電力的方法,想像電壓有如瀑布的高度,電流是電流動的數量,電壓愈高,電池就愈大能量,因此生產商便以加進鎳元素的方法來提升電壓;但電壓愈高,電解質則愈大機會產生額外的化學反應而引致起火。

不過,科學家正努力研發一種不容易起火的電解質,稱「離子液體」(ionic liquids),它需要更高溫才會產生可燃氣體。科技公司 Nohms Technology 首席技術主任表示,「這通常較為安全,但對電池壽命或存在挑戰。」

製造電池的技術的確不斷改進,甚至快將告別鋰離子電池時代,我們時時刻刻追求充電更快、壽命更長的電池,但無論是生產商或消費者也好,勿忘安全至上。Steingart 提醒:「任何東西能儲存這麼大能量,而你可以在短時間取用這些能量,你應該視之為潛在炸彈,不論它是如何製造出來。」