近期，多個(gè)品牌充電寶廠家因電芯存在安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施召回，而此前國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局已撤銷或暫停了多個(gè)充電寶及電芯廠家 3C 認(rèn)證。6月26日，民航局發(fā)布緊急通知，自 6 月 28 日起禁止旅客攜帶沒有 3C 標(biāo)識(shí)、3C 標(biāo)識(shí)不清晰、被召回型號(hào)或批次的充電寶乘坐境內(nèi)航班，以保障航空運(yùn)行安全。3C 認(rèn)證，即“中國(guó)強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證”（China Compulsory Certification），是我國(guó)依法實(shí)施的強(qiáng)制性市場(chǎng)準(zhǔn)入制度。

一時(shí)間，充電寶安全性又成為公眾關(guān)注的問題。你手上的充電寶是否帶有3C認(rèn)證？或許并不為所有人知的是，充電寶所攜帶的能量很少，但若事故發(fā)生，產(chǎn)生的威力卻很大 ！

隨著 羅馬仕充電寶召回事件的發(fā)酵，機(jī)場(chǎng)出發(fā)層被暫扣的充電寶可能已經(jīng)比打火機(jī)還要多。一時(shí)間，充電寶仿佛變成了“小型燃燒彈”，回家檢查自己充電寶是否具有3C認(rèn)證，或者干脆想辦法購(gòu)買3C認(rèn)證貼紙（這是違法行為！），成了不少讀者看到這一新聞的第一反應(yīng)。

可是，我們明明用了很多年的充電寶，怎么它突然就變得熟悉又陌生呢？如何 盡可能地挽回 充電寶，讓它健康、安全、幸福地度過(guò)一生，本文也許可以給你一些參考。

01

一個(gè)充電寶，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器

幾乎所有的充電寶都是化學(xué)電源。 當(dāng)我們用加粗、標(biāo)紅這種老式流行風(fēng)尚來(lái)標(biāo)注前面這句話時(shí)，說(shuō)明這可能是一句陳詞濫調(diào)，但又應(yīng)該有一些新的思考值得體會(huì)。

化 學(xué)電源 是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋放能量并轉(zhuǎn)化為電能的一類裝置，通俗來(lái)說(shuō)，就是利用化學(xué)反應(yīng) ‘ 發(fā)電 ’ 的 電源 。

目前的商用充電寶，一般以鋰離子電池作為化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換的電芯。作為2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)成果，如圖1所示[1]，當(dāng)充電寶對(duì)外供電（如給手機(jī)充電）的時(shí)候，其發(fā) 生自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)：電子從外電路由負(fù)極經(jīng)過(guò)手機(jī)等用電器到達(dá)正極；電芯內(nèi)部，鋰離子從負(fù)極經(jīng)電解液向正極遷移，完成整個(gè)電池回路。而當(dāng)給充電寶充電的時(shí)候，上述過(guò)程逆向發(fā)生。

圖1 鈷酸鋰作為正極、碳為負(fù)極的鋰離子電池放電示意圖。圖源：參考文獻(xiàn) [1]

所以充電寶的每一次充電/放電，其實(shí)都是電芯內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能（充電），或者將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能（放電）：是的，我們攜帶的充電寶，本質(zhì)上攜帶的是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器。

02

購(gòu)買充電寶，是購(gòu)買“能量密度”

既然是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器，那我們必然希望它能盡量多地儲(chǔ)存能量——在有限的體積與重量的前提下。當(dāng)我們購(gòu)買一個(gè)商家標(biāo)稱的5000或者10000毫安時(shí)（mAh）的充電寶時(shí)，我們可能誤以為這就是它擁有的能量，但其實(shí)毫安時(shí)是一個(gè)電量單位，并不等同于能量。電量Q被定義為電流I 乘以時(shí)間 t ：

Q=I×t

因此，1毫安時(shí)其實(shí)是1毫安（mA）的電流經(jīng)過(guò)1小時(shí)（3600s）積累所攜帶的電荷量，單位為庫(kù)倫（C），即：

1 mAh =1× 10 -3 A ×3600 s =3.6 C

電能W則被定義為電勢(shì)差（或者電壓）乘以電量 ：

W =U×Q

對(duì)于常見的如鈷酸鋰為正極、碳為負(fù)極的鋰離子電池而言，其電壓一般是3.8V，因此一 個(gè)10 000 mAh的充電寶所能攜帶的能量為：

136,800焦耳，看起來(lái)很大，但其實(shí)一點(diǎn)都不大。當(dāng)我們把它轉(zhuǎn)化成我們常用的電能單位，比如1度電（1 kWh），因?yàn)?1 W h = 1W×3600 s =3600 J , 那么這個(gè) 充電寶的能量是：

這個(gè)充電寶僅僅能儲(chǔ)存0.038度電。10000 mAh的充電寶一般重量在200 g左右，它的重量能量密度E可以估算下：

也就是說(shuō)，如果我們想要攜帶一個(gè)1度電能量的充電寶，那么一般其重量約為：

對(duì)于消費(fèi)者而言，當(dāng)然是想要購(gòu)買一個(gè)重量盡量小、能量盡量大的充電寶，即能量密度盡量大一些，以方便我們多充手機(jī)幾次。

既然充電寶是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器，那是不是可以找那些盡可能高能量的化學(xué)反應(yīng)為我們服務(wù)呢？

當(dāng)然可以，如果我們并不在乎安不安全。

三硝基甲苯（TNT）的能量密度約為1160 Wh/kg，是前述充電寶能量密度的6.4倍；汽油燃燒反應(yīng)的能量密度約為12000 Wh/kg，甚至是TNT的10倍。當(dāng)我們仔細(xì)分析這些數(shù)字的時(shí)候，一切都顯得很不合理：TNT的能量密度竟然只有鋰離子電池的6.4倍，而汽油明明感覺不如TNT厲害，卻能放出TNT 10倍之多的能量？

這時(shí)候需要一些初中化學(xué)的配平知識(shí)來(lái)幫我們厘清能量與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系。

鋰離子電池：

LiCo O 2 + C 6 → L i 1- x Co O 2 + L i x C 6 +555 Wh/kg

TNT爆炸反應(yīng)：

2 C 7 H 5 N 3 O 6 → 3 N 2 + 5 H 2 O + 7CO + 7C +1,160 Wh/kg

辛烷（汽油）燃燒反應(yīng)：

2 C 8 H 18 + 25 O 2 → 16C O 2 + 18 H 2 O +12,333 Wh/kg

從上述反應(yīng)可以看到，當(dāng)我們只考慮鋰離子電池的正極-負(fù)極材料之間的反應(yīng)，而忽略電池附件（比如電池殼、隔膜、電解液等）的重量時(shí)，鋰離子電池的能量密度甚至已經(jīng)達(dá)到TNT炸藥爆炸反應(yīng)的一半。而辛烷汽油的燃燒反應(yīng)，盡管能量密度很高，但還需要從外界結(jié)合氧氣才能發(fā)生，因此汽油的燃燒沒辦法像TNT爆炸一樣瞬間完成——TNT只需要自己分解就可以了——即爆炸威力一般比TNT要小。

所以我們不如攜帶汽油發(fā)電好了？當(dāng)然可以，但這一切的難度在于我們需要的是一個(gè)可控的化學(xué)反應(yīng)器，要能夠控制電子的走向——電子走外電路給用電器供電；要能夠控制反應(yīng)速度不快不慢——太快了要爆炸，太慢了用電器等不及。對(duì)于汽油而言， 燃料電池也許是一個(gè)不錯(cuò)的可控反應(yīng)器，但技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟。

鋰離子電池幾乎是目前化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換裝置的最優(yōu)解，畢竟其儲(chǔ)存的化學(xué)能可以有TNT炸藥的一半之多。但也正因如此，鋰離子電池炸起來(lái)威力很大。

03

為什么會(huì)炸

目前廣泛采用的鋰離子電池中，正極材料包括鈷酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等；負(fù)極材料則主要為碳材料，亦有添加硅的硅碳負(fù)極以提升電池能量密度。成本、能量密度、功率密度（單位時(shí)間能放出的能量）、安全性，這四個(gè)指標(biāo)是充電產(chǎn)品的核心，但顯然四者很難兼顧。

鈷酸鋰是目前大多數(shù)手機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備所用鋰離子電池的正極材料，相較來(lái)說(shuō)，其電壓最高、功率密度和能量密度最有優(yōu)勢(shì)，但成本高；大型儲(chǔ)能裝置則往往使用成本最低、性能最差的磷酸鐵鋰正極，其安全性也有優(yōu)勢(shì)；而充電寶、電動(dòng)汽車等，很多產(chǎn)品采用三元材料[例如鎳鈷錳（NCM），主要產(chǎn)品有NCM 523（Ni:Co:Mn=5:2:3）、811（Ni:Co:Mn=8:1:1）]。

三元材料是目前兼顧高能量密度與成本可控性的優(yōu)選正極材料，但安全性較差，其原因在于為了提升電池的能量密度，三元正極材料的電勢(shì)較高（氧化性強(qiáng)、電池電壓高），鎳元素比較容易在高電勢(shì)下發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致電池正極材料結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)過(guò)高的電池電壓，容易導(dǎo)致鋰離子電池中的有機(jī)電解液分解或者與負(fù)極反應(yīng)。有機(jī)電解液發(fā)生的反應(yīng)，是電池正負(fù)極儲(chǔ)存的能量之外的額外氧化還原反應(yīng)，會(huì)釋放大量能量，且由于不經(jīng)過(guò)外電路控制反應(yīng)速率，能量釋放速度快。一旦電池內(nèi)部熱量失控，電解液會(huì)加速分解為氣體，導(dǎo)致電池破損，此時(shí)有機(jī)的電解液遇到空氣中的氧氣，且處于高溫環(huán)境，那么如同汽油燃燒一般的熱失控會(huì)隨之發(fā)生。

你看，充電寶的自燃果然嚴(yán)重：在熱失控的初期，是類似TNT爆炸的有限空間自發(fā)氧化還原反應(yīng)（能量有TNT爆炸的一半）；熱失控的后期，則是類似汽油燃燒的劇烈放熱過(guò)程。對(duì)于飛機(jī)這種對(duì)安全極度重視的運(yùn)輸工具，自然要十分小心充電寶。

04

如何不炸？

想要充電寶不炸其實(shí)不難。

事實(shí)上，發(fā)生自燃、爆炸的充電寶往往不是處于每天都在使用的狀態(tài)，反而是偶爾用一下的充電寶更易自燃——尤其是充滿電放著，等待下一次出差再用的充電寶最為危險(xiǎn)。

原因還可以從鋰離子電池儲(chǔ)存能量的原理得出。當(dāng)我們給充電寶充電時(shí)，是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存到正極與負(fù)極中；電池充滿的狀態(tài)，其所蘊(yùn)含的能量最高，且正極的氧化性最強(qiáng)、負(fù)極的還原性最強(qiáng)。在這一狀態(tài)長(zhǎng)期放置，即使沒有外電路接通，正極的強(qiáng)氧化性也會(huì)導(dǎo)致正極中的鎳元素（三元正極材料），或者鈷元素（鈷酸鋰正極）溶出，正極材料結(jié)構(gòu)破壞，或者直接導(dǎo)致電解液分解。同樣的，處于強(qiáng)還原狀態(tài)的負(fù)極材料，也會(huì)與電解液反應(yīng)，導(dǎo)致電池內(nèi)部能量積累。時(shí)刻謹(jǐn)記，一個(gè)充滿電的充電寶，儲(chǔ)存有約等于其一半重量TNT的能量，就是個(gè)小炸彈！

上述電池內(nèi)部的自發(fā)副反應(yīng)過(guò)程一般十分緩慢，每天/每周充放電使用的充電寶不會(huì)始終處于充滿的高能量狀態(tài)，因此很少發(fā)生自燃自爆。同樣的原因，我們每天使用的手機(jī)，幾乎每天都要充電1-2次，更難發(fā)生自燃（除了幾年前有產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的某品牌Note系列手機(jī)）。

那么如何減少充電寶自燃（甚至包括電動(dòng)汽車、鋰離子電池電動(dòng)自行車等）呢？

首先，需要廠家負(fù)起安全責(zé)任感，做好電路控制與阻燃措施，防止充電寶電芯過(guò)充、過(guò)放，保證電極材料的穩(wěn)定。阻燃材料的使用，是充電寶出現(xiàn)事故時(shí)的最后一道防火墻，不要為了節(jié)約成本而減配，這也是3C認(rèn)證的一部分意義所在。

其次，作為消費(fèi)者而言，選擇磷酸鐵鋰作為正極的鋰離子電池自燃風(fēng)險(xiǎn)會(huì)低一些，因?yàn)槠潆姵仉妷旱停旧韮?chǔ)存的能量也少，材料結(jié)構(gòu)也相對(duì)穩(wěn)定。但是磷酸鐵鋰正極的電池能量密度低，可能不能滿足日常需求。

最關(guān)鍵的，在用戶端，對(duì)于三元正極、鈷酸鋰正極的充電寶等產(chǎn)品而言，不要讓電池處于充滿電狀態(tài)持續(xù)存放至關(guān)重要。下表是國(guó)外某品牌的儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存條件要求。

SOC是電池的荷電狀態(tài)（State of Charge），可以簡(jiǎn)單理解為電池電量百分比。可以看到，保持電池充到30%—60%電量（SOC）是電池儲(chǔ)存的要求。并且應(yīng)該根據(jù)不同溫度，每年/每半年對(duì)電池做一次充放電，原因就在于長(zhǎng)期滿電狀態(tài)儲(chǔ)存容易導(dǎo)致電池故障、失效，甚至發(fā)生自燃。而放空電池進(jìn)行儲(chǔ)存，則可能導(dǎo)致負(fù)極結(jié)構(gòu)被破壞，雖然自燃風(fēng)險(xiǎn)較低，但容易導(dǎo)致電池失效。

對(duì)于充電寶而言，如果不頻繁使用，建議充到50%電量?jī)?chǔ)存，這樣可以大大延長(zhǎng)其使用壽命、降低自燃風(fēng)險(xiǎn)。手機(jī)、電動(dòng)汽車等也不建議充滿電后長(zhǎng)期不使用。而對(duì)于不再需要的充電寶等鋰離子電池產(chǎn)品，目前一般按照可回收垃圾來(lái)處理。但由于鋰離子電池一方面有自燃風(fēng)險(xiǎn)，另一方面又是珍貴的資源，可以專門回收應(yīng)用。因此建議盡快建立鋰電池回收機(jī)制，把風(fēng)險(xiǎn)變收益，把垃圾變寶貝。

盡管這種方式可能并不符合用戶習(xí)慣，但卻是對(duì)用戶最好的保障，也建議廠家在充電寶使用說(shuō)明書中提供對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存建議信息，方便消費(fèi)者安全、長(zhǎng)期、可靠地使用充電寶。

鋰離子電池自燃并不可怕，可怕的是使用不當(dāng)。當(dāng)然，科學(xué)家們還是應(yīng)該進(jìn)一步努力，早日實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的鋰離子電池。

撰文|李存璞

（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，中國(guó)化學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)委員）

參考文獻(xiàn)

[1] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/popular-information/

來(lái)源：返樸

原標(biāo)題：這類充電寶最危險(xiǎn)，家家可能都有！

編輯：二分

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