三星手机连续爆炸 苹果申请“防爆”专利 安全电池背后的明争暗斗

作者:吴文婷 | 发表时间:2016-11-11 18:19:12 0 条评论

经过召回、更换新机,却依然挡不住接连不断的爆炸,Note7无疑让三星的品牌形象跌至谷底,而苹果此时则趁机“火上加油”。

10月14日,苹果提交了一份手机电池“防爆”专利。这份专利显示,苹果正在开发一种可以延长电池寿命且不会爆炸的技术。该专利主要着眼于电池外壳,即便电池内部发生爆炸,特殊材料制成的坚固外壳也能保证用户不受到安全威胁。

同时,这种新的外壳技术还允许电池的形状可以根据内部的结构来设计,有点类似于新款Macbook的电池结构。此外,还缩小了电池堆栈间的空隙,减少电池膨胀等问题的出现。
随着智能手机的屏幕越来越大、功能越来越多,对电池续航能力的要求也就越来越高,如何兼顾电池的性能和寿命成为了一项巨大的挑战。而在这背后,电池业的明争暗斗也异常激烈。

隔膜缺陷导致爆炸

眼下,绝大多数智能手机都采用锂离子电池。

从工作原理来看,电池两侧一般会有两个电极,含有正电离子的称为阴极,含有负电离子的是阳极。在给手机充电时,锂离子会从阴极移动到阳极;在我们使用手机,也就是释放电能时,锂离子则是从阳极移动到阴极,向相反方向移动。两者之间有一种电解质的化学物质,能够有效帮助电离子移动,传导电流。

不过,值得注意的是,即便电离子不断移动,但阴阳两极本身是绝对不能接触的,所以一般电池厂商也会在阴阳两极之间插入隔板保证安全。一旦隔板出现问题,就会有爆炸的可能性。
在此次Galaxy Note7爆炸案中,三星方面给出的解释是:隔板有缺陷,电池阴阳两极触碰到一起,从而引发爆炸。

在业内人士看来,这背后可能是电池生产厂家将技术推向极限的结果。随着智能手机的屏幕越来越大、功能越来越多,对电池续航能力的要求也就越来越高,而在手机续航还没有更大突破的时候,厂家们只能将电池续航时间以及充电速度尽量做到极致。

比如,为了提升电池体积能量密度延长续航能力,厂商会在两极之间采用更薄的隔膜材料,但可能因为品控不严,用料不好,或其他方面的原因,从而导致隔膜局部变薄,无法有效地隔离正极和负极。这时,就很容易导致电池发生事故。

这一次,更换后的“安全版”Note7仍频发爆炸事故,让三星终于顶不住压力了。10月11日,韩国三星电子宣布,在全球范围停止销售和更换Note 7智能手机,并出于安全考虑,建议所有消费者停止使用该款手机。

据国家质检总局官网披露,在执法督查司进行约谈和启动缺陷调查后,三星向国家质检总局备案了召回计划,决定自2016年10月11日起,召回在中国大陆地区销售的全部SM-N9300 Galaxy Note 7数字移动电话机,共计190984台(包含2016年9月14日公告首次召回的1858台产品)。

有分析师称,如果三星完全停止销售Note 7手机的话,意味着其将失去高达约1900万台手机的销售量,总价值约为170亿美元。而包括换机带来的一些其它费用,此次召回损失将不可估量。
业内专家认为,电池隔膜的设计,要考虑两个方面。首先是电芯隔离膜在正负两极之间的延展量够不够,有个专用名词叫Overhang。这种安全余量的设计,首先是为了防止在电芯膨胀收缩的时候,能有足够的余量来保证对正负两极的完全隔绝。其次是为了保证在电芯除水工序中,隔膜会因为热收缩而变得太短,以至于影响绝缘性。

另外,是隔膜本身所带的异物。因为隔膜成品在进入电芯生产线之前,是像胶带那样一捆一捆的,所以很容易沾上一些很小的颗粒,像灰尘、员工操作时掉下来的颗粒,甚至电池正负极材料的颗粒等等。这些颗粒很可能就会扎破隔离薄膜,毕竟这个膜的厚度只有20到30微米之间,尤其是汽车用的动力电池,往往在20到25微米之间。

电池市场三足鼎立

手机电池分为镍电池和锂电池。其中,镍电池容量低,有记忆效应,并存在自放电现象,且制造材料还有环境污染的问题,所以在手机行业没有延续下来。而锂电池弥补了镍电池的不足,并且其高能、环保的特性,使其成为当下手机的唯一源动力。

而锂电池通常又分为两类。锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

虽然锂金属电池的能量密度高,理论上能达到3860瓦/公斤,但是由于其性质不够稳定而且不能充电,所以无法作为反复使用的动力电池。而锂离子电池由于具有反复充电的能力,被作为主要的动力电池发展。但因为其配合不同的元素,组成的正极材料在各方面性能差异很大,导致业内对正极材料路线的纷争很大。

通常而言,动力电池主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元锂电池(三元镍钴锰)。

比亚迪的相关人士向《商学院》杂志记者介绍:“钴酸锂电池在手机和笔记本上用得比较多。锰酸锂电池,日系的汽车用这种,比如日产。锰酸锂电池的安全性要比钴酸锂电池好一些,因为钴酸锂电池为了追求能量密度,存储电能要多,虽然也知道它有一些安全性的问题,但发生危险的几率非常低,整个行业、全球还是包容它,总不可能回到‘大哥大’时代,电池占很大一部分体积。但汽车就不一样,汽车的安全性很重要,所以在电能上会做一些舍弃,像锰酸锂电池的安全性比钴酸锂电池要好,但能量密度就没有后者那么大,另一方面就是锰酸锂电池衰减比较厉害。”

据前瞻产业研究院研究分析,预计未来10年内,我国单纯的动力锂电池产业规模有望突破1600亿元,上游锂矿资源、中游关键材料与下游电芯组装市场将迎来持续利好。
世界电池市场可谓中日韩“三足鼎立”,2015年在电动汽车电池领域位居首位的是日本日产和NEC合资的AESC,占世界市场的23.5%;其次是LG化学(16.6%)、比亚迪、松下、三星SDI。在智能手机等设备上的小型电池领域,三星SDI的占有率为25%,位居首位,LG化学占比为16%,位居第二位,其次是松下、ATL(中国)、索尼。

三星SDI是三星集团旗下的子公司,锂电池就是其中一项主要业务,2014年开始研发手机用的不可换电池,不过在Galaxy S6手机中败给了LG、ATL等竞争对手。在Galaxy Note 7项目中,三星SDI终于供应了大部分电池了,但没想到遇到了这种事。

有消息称,三星的下一代旗舰Galaxy S8将放弃SDI,而采用LG的电池。不过,在三星和LG签署最终协议前,这桩交易仍有待观察。三星和LG几乎在所有消费电子产品领域展开竞争,从智能手机、家用电器到电视。由于担心技术泄露,两家公司很少使用彼此的零部件。

固态电池或成为最佳选择?

据国外媒体获悉的最新消息,苹果似乎相比三星更加希望从此次的Galaxy Note 7事件中吸取教训,并已经申请了一项有关电池和用户安全的设计专利。

苹果公司在专利申请描述中写道:“移动电子设备以及其他计算设备的电池表现已经越来越受到人们的关注,尤其是在移动设备变得越来越小,但它们对于性能的需求在越来越高的前提下则更是如此。因此,保持设备体积不变同时又提升电池续航能力就成为了设备厂商们的持续挑战之一。”

这份专利显示,苹果正在开发一种可以延长电池寿命且不会爆炸的技术。该专利主要着眼于电池外壳,即便电池内部发生爆炸,特殊材料制成的坚固外壳也能保证用户不受到安全威胁。

同时,这种新的外壳技术还允许电池的形状可以根据内部的结构来设计,有点类似于新款Macbook的电池结构。此外,还减小了电池堆栈间的空隙,减少电池膨胀等问题的出现。

值得注意的是,自2012年来,苹果公司就开始积极布局全固态电池技术的专利,期待能把这种新型电池用在iPad、MacBook等设备及以后将要开发的柔性电子设备上。2015年11月份,美国专利商标局公布了苹果公司一项与固态电池充电技术相关的新专利——便携设备的固态电池充电技术。

所谓全固态电池就是里面没有气体、没有液体,所有材料都以固态形式存在的电池种类。锂电池有发生鼓胀的几率,且锂电池的工作温度范围有限,高温或者低温下寿命都容易受到影响,但全固态电池就没有以上这些问题。

在业界看来,固态电池或许会成为下一步电池发展的主流方向。不过,全固态锂电池中,电极与固体电解质之间的固-固接触相比固-液接触具有更高的界面接触电阻,同时,界面相容性和稳定性也显著影响全固态锂电池的循环性能和倍率性能。此外,固态电池还面临生产工艺待提高、成本待下降的发展瓶颈。

为此,许多科研机构都做出了大量的研发工作。比如,美国SunCulture Solar则将固态电池技术应用到储能领域中,其开发的新型一体化太阳能电池板,内置有固态低压电池,并与逆变器无缝集成。这种完全一体化的产品设计,可将太阳能安装和储能总成本降低50%以上。瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员们,通过石榴石作为电解质,使得固态电池电极和电解质之间的接触面积放大,从而实现了固态电池充电速度加快的效果,并且够承受100℃的高温等等。

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