相對(duì)于Samsung,Apple在電池方面一直相對(duì)保守穩(wěn)健,電池容量和充電上限電壓都要低于Samsung.與GalaxyNote7上采用4.4V高壓LCO不同,Apple最近發(fā)布的新一代iPhone7的電池容量只有2900mAh,并且仍然采用的是與iPhone6系列相同的4.35VLCO正極材料.Apple之所以在電池上采取偏保守穩(wěn)健策略,筆者個(gè)人認(rèn)為主要還是基于安全性考量,Apple寧可稍微犧牲電池容量和能量密度也要確保安全性.事實(shí)上,Apple增加電池續(xù)航的做法更多地是通過優(yōu)化軟件和芯片設(shè)計(jì).

筆者個(gè)人傾向于認(rèn)為,Note7電芯生產(chǎn)工藝上的某些缺陷是導(dǎo)致此次大規(guī)模事故的另外一個(gè)重要的原因.Note7的軟包電芯可以1.2C直充快充,能量密度超過720Wh/L.為了達(dá)到這么高的能量密度,那么就必須進(jìn)一步提高電極的壓實(shí)密度,并且進(jìn)一步增加電芯的卷繞緊張力.

從機(jī)械結(jié)構(gòu)角度而言,過高的卷繞緊密度(張力)會(huì)使得R角處極片宏觀界面更加不均勻,正負(fù)極曲率匹配度更差、隔膜褶皺加劇,從而加大負(fù)極析鋰的概率,這一點(diǎn)從常規(guī)軟包卷繞JR滿充拆解電芯的常規(guī)觀察中即可發(fā)現(xiàn).本來高能量密度電芯JR的R角處在1C充電后就是析鋰的高發(fā)區(qū)域,更不用說這次是采用了"極限設(shè)計(jì)"之后了.

根據(jù)一位SamsumgSDI員工所披露的內(nèi)部分析報(bào)告顯示,SDI為了提升電池安全性,改進(jìn)了電池底部short以及正負(fù)極tab與極板焊接所產(chǎn)生的short,但是電池上部R角仍然出現(xiàn)了短路問題.如果R角存在偏繞不良或者磕傷,那么就可能導(dǎo)致正負(fù)極接觸而發(fā)生內(nèi)短路.

另一方面,這些極端的工藝措施必將放大各種生產(chǎn)和設(shè)計(jì)上的局限,比如極片上有一點(diǎn)工藝缺陷、一個(gè)金屬小毛刺、活性材料的粉末涂覆不均勻造成的粗燥等等,在充放電過程中不對(duì)稱應(yīng)力的作用下,都將會(huì)增加電芯內(nèi)部正負(fù)極內(nèi)短路的幾率.過度施加壓力會(huì)造成電池內(nèi)部不均勻應(yīng)力增大,尤其對(duì)于疊壓在一起的正負(fù)極極片,如果有部分區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力很大,那么這部分區(qū)域的電化學(xué)甚至機(jī)械性能就會(huì)和電池內(nèi)部的其他區(qū)域產(chǎn)生差異,比如說某個(gè)區(qū)域過熱會(huì)形成梯度,甚至熱脹冷縮系數(shù)和其他部分也不一樣,從而造成鼓包甚至內(nèi)短路發(fā)生.

筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是,這次Note7大規(guī)模事故應(yīng)該是一系列問題綜合作用的結(jié)果,而非僅僅是因?yàn)槟硞€(gè)特定原因.為了一味追求性能指標(biāo)而過度增加電池內(nèi)部的機(jī)械壓力而埋下一個(gè)隱患,被放大的工藝缺陷可以成為導(dǎo)火索,但筆者覺得另一個(gè)導(dǎo)火索可能與三星鼓吹的快速充電有關(guān).

從電芯層面而言,鋰離子電池的倍率性能一方面受到正極/電解液/負(fù)極電極材料搭配體系本征傳輸特性的制約,另一方面極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也對(duì)倍率性能有較大影響.但是從最本征的載流子傳導(dǎo)與輸運(yùn)行為而言,鋰電并不適合"快充".在大倍率充電條件下,LCO材料的晶格容易受到破壞而引發(fā)與電解液的放熱副反應(yīng),負(fù)極石墨片層同樣也可能受到損害甚至發(fā)生析鋰,這些因素不僅加速電池容量的衰減并且?guī)戆踩[患,尤其是在電池升溫的情況下上述問題將更加嚴(yán)重.

從極片工藝角度而言,過高的壓實(shí)和loading都會(huì)增大極化,尤其是在高倍率下.而且卷繞結(jié)構(gòu)的單極耳電芯本身就不太適合在高倍率工況下工作,更何況為了提升電芯能量密度還要減窄減薄極耳,這就進(jìn)一步惡化了內(nèi)阻.一般而言,疊片工藝對(duì)高倍率快充電芯更為合適,只是目前在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用還不太多.

SamsungSDI在Note7上采用了一些新的電池設(shè)計(jì).一般而言,新電池從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)是有一定過程的,這個(gè)期間一般都會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況也就是良品率不高的問題.Samsung急于跟iPhone7搶時(shí)間提前發(fā)布,會(huì)不會(huì)因?yàn)樽非螽a(chǎn)量而在一定程度犧牲良品率?

筆者個(gè)人認(rèn)為,SamsungSDI和ATL這樣國際大廠,次品率可以控制到ppm量級(jí).旗艦手機(jī)產(chǎn)品發(fā)布前第一批電芯的制作是絕對(duì)不允許出現(xiàn)紕漏的,Samsung方面一定會(huì)派人駐廠嚴(yán)加監(jiān)控.因此從理論上而言,良品率的控制似乎不應(yīng)該是此次Note7安全事故的主要原因.但是筆者堅(jiān)持認(rèn)為,如何平衡量產(chǎn)的良品率與工藝復(fù)雜性(成本)問題,則是電芯廠和手機(jī)廠商都不得不認(rèn)真思考的.

綜上所述,我們可以簡單總結(jié)一下Note7電池發(fā)生事故的原因:為了生產(chǎn)高能量密度的薄電池—選擇4.4V高壓LCO體系搭配超薄膈膜—給極片和電極施加機(jī)械壓力—充放電導(dǎo)致電池內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力不均勻/副反應(yīng)導(dǎo)致發(fā)熱—正負(fù)極之間接觸而短路的機(jī)率增大—各種制造、材料等缺陷被放大—快速充電—電池過熱/形變—各種缺陷進(jìn)一步放大—電池內(nèi)短路—電池完全進(jìn)入熱失控—電池燃燒/起火/爆炸.

三星事故是偶然嗎?

筆者個(gè)人認(rèn)為,此次Note7事故看似偶然實(shí)則必然.這是對(duì)當(dāng)前業(yè)界比拼硬件功能,單純片面地通過挑戰(zhàn)鋰離子電池電極材料和電芯生產(chǎn)工藝的極限來追求高能量密度(長續(xù)航時(shí)間)的一種警示.雖然說大容量電池、快充、防水防塵、無線充電都是酷炫的功能,但是把這些功能都拼湊在一起則有可能帶來一些意想不到的問題,GalaxyNote7手機(jī)大范圍起火爆炸證明這種努力實(shí)際上起到了適得其反的作用.

在技術(shù)沒有完全成熟的情況下,如果一味地盲目追求高技術(shù)指標(biāo),那結(jié)果只能像三星這次一樣步子邁得太大扯著了蛋.當(dāng)年波音為了標(biāo)榜自己技術(shù)先進(jìn)在787"夢(mèng)幻"客機(jī)上率先將"不先進(jìn)不環(huán)保"的鎳鎘電池(鎳鎘電池由于可靠性極高一直是特種業(yè)的主流電源)替換成鋰離子電池,后果同樣極其嚴(yán)重.

Note7電池大部分由韓國SamsungSDI生產(chǎn),中國銷售的則由ATL提供電池.最近國行版的Note7也發(fā)生了爆炸事件,引發(fā)了業(yè)界對(duì)ATL的質(zhì)疑.筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是,不論是給Samsung還是給Apple生產(chǎn)電池,ATL都必須與客戶多次反復(fù)討論嚴(yán)格按照手機(jī)廠家的技術(shù)要求和規(guī)范進(jìn)行,產(chǎn)品方才可以定型.也就是說ATL自身在原材料和電化學(xué)體系的選擇、電芯生產(chǎn)工藝以及電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面自由發(fā)揮的余地其實(shí)是很有限的,由于ATL自身設(shè)計(jì)和生產(chǎn)失誤導(dǎo)致Note7電池大規(guī)模事故的可能性基本上可以被排除.

ATL能夠得到Samsung、Apple和華為等國際主流廠商的認(rèn)可向他們提供高品質(zhì)的電池,筆者并不認(rèn)為ATL的電池生產(chǎn)技術(shù)存在問題,更傾向于認(rèn)為國行版的Note7電池問題主要在于SamsungSDI所要求的電化學(xué)體系以及工藝技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等方面.