手机锂电池拆解

昨天闲着没有事，就把一块三星手机锂离子电池拆开了，也让大家了解一下，锂电池为什么那么容易爆炸？

这块笔记本电池也鼓包了，只是还不太严重！

现在我们使用的平板、手机、笔记本和充电宝里面很多使用的都是软包装的锂离子电池。这类软包的电池容量大，尺寸平整，容易安装，但是也有一个很大的缺点，就是容易受热鼓包。这也是无论是手机、还是平板或者笔记本如果不使用的时候，一定要放置在阴凉的地方，避免阳光直射或者暖气烘烤。如果你不注意这些，慢慢手机、平板或笔记本就会慢慢“怀孕”了，直到把机壳胀开为止。

这是一块三星手机的锂电池，表面的这种褶皱就是电池鼓包后，放气后留下来的。

软包装的锂电池就是在电芯外面套了一个密封的铝袋子，不像金属外壳的18650电池还安装有泄压阀或排气孔之类的。密封的软包装在内部压力增大时就会鼓包，再严重直接就在边缘处爆开了，强制排气泄压。

每一块锂电池都会有一块保护板，用来防止过充电和过放电，也防止短路过热。所以我们在使用锂电池时，一定要安装保护板。没有保护板的锂电池，很容易因为过压而产生过热，最后引起爆燃的。

这块保护板大概只有2MM宽

软包的锂电池使用铝包装密封袋。

拆除外包装的电池芯，是一层层圈起来的。

在打开锂电池的软包装时，要注意开窗换气，那种酸爽太难闻了。

锂电池是由一层铝箔涂了一层电解液再加了一层绝缘薄膜和同样处理的一层铜箔，一层一层的折叠在一起的。

整个电池完全打开，大概有一米多长。绝缘用的薄膜非常薄，如果破损或者针扎后，就是正负极直接短路。如果此时电池充满了电量，短路的结果就是直接爆燃。

铝箔和铜箔都分别焊接了电极，用来对外焊接供电。

锂电池在内部电量放完时，即使短路也不会燃烧的。只有充电满的锂电池在短路时才会迅速爆燃。在这里提个醒：

软包装的锂电池胀气后，应该可以用针在边缘扎一个洞，把里面的气体放出来，再把这个小洞用胶带粘起来，应该可以继续用的。当然因为电解液分解，容量肯定会减小的。

锂电池使用了非常薄的铝箔和铜箔，如果锂电池因为过热短路引起爆燃，铝箔也是可以燃烧的，所以锂电池的燃烧无法使用水灭火，只能等它燃烧殆尽。用水喷洒，只能给它降温，减少燃烧面积，防止周围物体被引燃。

有一点不明白，锂电池是由金属铝和铜组成的，为什么锂电池没有人回收呢？特别是两轮电动车，铅酸电池可以以旧换新，像48V20AH的四块铅酸电池，以旧换新大概300左右就可以拿下来了。而锂电池，扔吧怕着火，不安全。留着吧，也不安全。卖吧，也没有人收，真的不知道如何处理才是？

2019年诺贝尔化学奖给了锂电池：没有他们，你的手机就是个点燃的炸药包丨直击诺奖

今年的诺贝尔化学奖授予了 约翰·B·古迪纳夫、M·斯坦利·威廷汉和吉野彰，以表彰他们在锂离子电池发展上所做的工作 。

获奖者之一古迪纳夫已经97岁高龄，他曾经说过：

“我们有些人就像是乌龟，走得慢，一路挣扎，到了而立之年还找不到出路。但乌龟知道，他必须走下去。”

从他年轻时的经历

说起吧

很多人会查自己出生那年发生过什么，好暗地里给自己的诞生一种天命昭彰的证明。如果古迪纳夫（John B. Goodenough，当然你也可以叫他足够好先生，我想他不会有意见）翻开他出生的1922年，会发现此时科学正在以一种肉眼可见的速度增长：波尔因为阐明原子结构得到了诺贝奖，BBC开始了跨洋无线电广播，人造胰岛素被成功提取。物理、化学、生物众多学科正在取得突破，同时，一大批崭新的学科正在被建立——科学界一片生机勃勃。

然而，这一切似乎跟古迪纳夫关系不大。他的父亲是大学历史老师，他还有一个年长三岁的哥哥。虽然家境富足，但他的童年似乎并不开心，按他的说法，自己童年唯一的玩伴叫Mack，是一条狗[1]。天才的童年似乎总会有一个哥哥和一条狗（比如卷福）。

“高考”前夕，古迪纳夫的父母离婚了，他爸娶了自己的研究助手。但古迪纳夫还是咬牙考进了入耶鲁。事后回忆，他觉得进入大学这种对家庭的逃离让他松了口气。

在耶鲁的日子，他过得不错。先是学习古典文学，之后转到了哲学。大一的时候为了凑学分，古迪纳夫选修了两门化学课。后来，古迪纳夫碰到一个数学教授，看他天赋异禀，就鼓励他学习数学。他听从了建议，毕业的时候取得了数学学士学位。

短短几年间，就换了四五个专业方向，这似乎也对他随后的生涯做出了某种预示。

1930年代的耶鲁校园，图片来源：YaleNews

毕业后，二战爆发，古迪纳夫加入了美国空军，不过他没当成飞行员，而是被派到太平洋的一个海岛上收集气象数据。

退役后的他选择去芝加哥大学进修物理。当时录取他的面试官有点瞧不上这个吹了四年海风的大龄青年，嘲笑道：“在你这个年纪，科学家早已经做出他们最大的成就了。”

这话说的没错，那个年代风靡全球的智慧领袖们，哪个不是英姿勃发，爱因斯坦26岁提出相对论，爱迪生32岁点亮了白炽灯，居里夫人36岁时已经拿到了诺贝奖。

古迪纳夫，开始读博， 30岁。

还算幸运，他的导师是个大牛人，物理学家齐纳。顺便一提，齐纳在30岁时已经发明了齐纳二极管，享誉业界。

古迪纳夫的博士导师，物理学家齐纳，图片来源：维基百科

在芝加哥这几年，古迪纳夫的研究领域是固体物理，并在这里打下了坚实的理论基础。芝大毕业后，他被推荐去了麻省理工的的林肯实验室，主攻固体磁性的相关研究。在这里，古迪纳夫的天赋与功底得到充分发挥，他对随机存取存储器的发展做了贡献，这个技术就是后来的电脑内存。他甚至还和别人合作，冠名了一个固体磁性的规则——Goodenough-Kanamori规则。还是在这里，他第一次接触到了电池，不过当时他研究的是钠硫电池。

1976年，牛津大学化学系恰好出现了一个空缺。凭借在林肯实验室的出色工作，古迪纳夫得到了这个职位，成了无机化学实验室主任。

这年，他54岁。

初到英国， 古迪纳夫努力适应着阴郁的天气和寡淡的饭菜，从未想过这里将会是他人生的重要转折点：在这里，他的研究领域转到了电池。

牛津时期的古迪纳夫，图片来源：美国化学学会

接下来

我们来谈谈电池

我们不妨先来看看当时电池是什么样的。

1970年代后期，有一种电池因为使用金属锂作为电极，而被称为锂电池。同样质量下，锂电池能比其他电池储存更多的电能，因此很受市场青睐，比如当时“大哥大”手机使用的就是这种锂电池。

持有锂电池技术的是一家加拿大公司，名叫Moli Energy。正当他们准备大干一场的时候，却传来了噩耗——锂电池存在严重的安全隐患！

问世还不到半年，这种锂电池就因为起火爆炸的问题，而被全球召回。从此，Moli公司一蹶不振。这个短暂霸占全球电池市场的公司昙花一现，最后被日本NEC公司收购[2]。

Moli公司生产的锂电池，图片来源：参考资料[3]

此时，全球的电子产品市场初见端倪，大众刚刚接触到电子表、手机、电脑等新鲜玩意，这个朝阳市场无比诱人。作为电子产品的保障，电池技术又是必不可少的一环。因此，刚刚收购Moli的日本人迫不及待想解决锂电池的安全问题，并计划将这一产品发扬光大。收购了Moli的NEC投入了巨大的人力物力，仔细检测了几万块电池，经过几年的摸索，他们终于明白了锂电池爆炸的个中原因。

锂电池使用的电极材料金属锂，是世间最活泼的元素之一，极易燃烧，甚至与氮气都能发生反应。这样的特性极大拔高了锂电池的技术要求：生产组装过程中稍有不慎，泄进了空气，轻则电池报废，重则起火燃烧。而在肉眼看不到的地方，还有一个更大的隐患。因为动力学等因素，锂金属表面会形成一些“小毛刺”，叫做枝晶。随着在电池的使用，这些枝晶会越长越大，最终会刺破电池正负极之间的隔膜，造成短路，引起电池自燃。

虽然找到了问题所在，但是如何解决却让NEC陷入了困境。成分、组装、生产环境等等都可以改进，但枝晶如同幽灵一般，萦绕在锂电池中，无法摆脱。

锂枝晶的微观照片，图片来源：参考资料[4]

此时，远在牛津的古迪纳夫正进行着自己的研究。虽然只学过两门化学课，但凭着过硬的固体物理功底，古迪纳夫居然在化学系也算站稳了脚跟，正在一门心思研究着一种神奇的材料——钴酸锂。

钴酸锂晶体结构，其中白色的圆球表示锂原子，红色表示氧原子，蓝色表示钴原子。图片来源：参考资料[5]

钴酸锂，化学式LiCoO2，在晶体学上属于一种层状材料。所谓的层状是指钴和氧原子的结合更紧密，形成的正八面体的平板，锂原子层就镶嵌在两个“平板”之间。正因为这种特殊的结构，使得锂原子可以在钴酸锂晶体中快速移动[6]。

如果把钴酸锂想象成一个汉堡包，钴-氧构成了两片面包，那么，锂原子就是中间的牛排，能被很轻松地抽出。 正因如此，这种钴酸锂可以取代金属锂，作为电池中锂离子的提供者。而且，这种氧化物可以拔高电池的使用电压，从而提升电池储存的电量。更为重要的是，钴酸锂的对空气等不敏感，在金属锂这个发疯的公牛面前，钴酸锂乖巧的如同得到了棒棒糖的小孩。而枝晶问题在钴酸锂中也得到了改善。在一定的使用时长下，钴酸锂是一种安全系数很高的电极材料。

然而，或许是这一创新太过前卫，也可能是Moli Energy的教训太过惨烈，当时整个西方世界竟然没有一家企业敢接这个发明。甚至牛津大学自己都不愿意为钴酸锂发现申请专利。古迪纳夫只好找到另一个实验室帮忙，勉强拿下了专利。

牛津大学在古迪纳夫当年实验室门外竖起了牌匾，纪念钴酸锂的发现。图片来源：维基百科

但是日本不一样。

上世纪80年代，日本正处在经济腾飞期，大刀阔斧的日本商人甚至一度收购了好莱坞。日本产的电子产品也迅速占领着国际市场，西方不敢接的烫手山芋，日本人倒是想试试，要不然NEC也不会花大力气收购Moli。

不过这次站出来的幸运儿并不是NEC，而是当时凭借Walkman（随身听）和红白机风头正劲的索尼（Sony）。

1980年代末期的索尼手头已经发明了用作锂电池负极的石墨。这种石墨价格低廉，结构稳定，是十分理想的电极材料，只是苦于没有合适的正极与之匹配。古迪纳夫的钴酸锂简直如同一道光，照亮了索尼的前程。

很快，索尼将钴酸锂和石墨结合，开发出了全新的可充电锂电池。整个电池中没有纯锂，因此安全性得到了很大提升。

由于电池中仅存在锂的离子状态，这类电池被称为锂离子电池（Lithium ion battery）。高性能，低成本，安全性好，这种锂离子电池一经问世立刻受到了欢迎，帮助索尼一跃成为行业老大。我们今天所使用的绝大部分锂离子电池仍然延续这一架构，近30年来再没有大的改动，这种钴酸锂-石墨体系的性能之优异可见一斑。

钴酸锂使得古迪纳夫一跃成为炙手可热的化学家。

1986年，他回到了祖国，进入德克萨斯州大学奥斯丁分校，继续他的研究。当大家都以为这个教授准备在德州安心养老时，谁都没发现他已经将目光转向了另一个材料。

不，不止这些

远不止这些

钴酸锂虽然储能性能好，安全性也不错，但是仍不是一个十全十美的材料。

一个原因是在长时间使用后，钴酸锂的层状结构容易崩塌，就好比汉堡中间的牛排被抽出，两层面包自然要塌到一起。崩塌的层之间无法再进行锂离子的存储，造成电池整体的性能衰减。

另一个原因是钴酸锂实在太贵。钴元素本身就是一种战略资源，产地只有非洲和美洲一些小国，随着锂离子电池日益兴盛，对钴的需求更是与日俱增，从而极大提高了钴酸锂的成本。

稳定性和高成本始终拦在钴酸锂的前方。直到1997年，古迪纳夫又一次让世界震动了。这一年，他拿出的材料叫做磷酸铁锂 。

这年他75岁。

磷酸铁锂（LiFePO4），或者简称为LFP，在它的晶体结构中，铁与氧组成 FeO6 八面体，磷与氧组成 PO4 四面体，这些八面体与六面体按照一定规则构成骨架，形成Z 字型的链状结构，而锂原子则占据空间骨架中所构成的空位中[7]。

相较于钴酸锂的层状结构，LFP的空间骨架结构更稳定，锂离子在骨架的通道中也能快速移动。同时，LFP的成分是极其廉价的铁与磷，价格远低于钴。

虽然LFP也存在着不足之处，比如它的储能效果比钴酸锂要差一点，但它的稳定性和低成本迅速吸引了产业界的注意。

美国的A123 公司靠着生产LFP，一度成为全球锂离子电池产业的霸主。不过因为LFP的专利出现了问题，牵扯进了当时世界多家电池巨头，一度闹得人心惶惶，也造成LFP的推广之路磕磕绊绊。即便如此，LFP这类材料在未来储能领域，尤其是对低成本、稳定性要求高的应用中前景广阔。

磷酸铁锂晶体结构，其中白色的圆球表示锂原子，红色表示氧原子，紫色表示磷原子，黄色表示铁原子。图片来源：参考资料[5]

先有钴酸锂，后又有磷酸铁锂，古迪纳夫 “锂离子电池之父” 的称号当之无愧 。此时的锂离子电池，早已成为各大电子消费品的主要组成，甚至连电动车也被囊括进了它的版图。

但别忘了，还有一个幽灵在盘旋，那就是枝晶问题。

钴酸锂和LFP虽然在一定程度上抑制了枝晶问题，但在电池的使用过程中，仍然会有部分锂原子沉积在电极表面，形成枝晶。所以，枝晶问题从未得到根本解决，安全隐患仍在。

可以说，锂枝晶问题贯穿了整个锂电产业的历史，至今仍盘旋在电池领域的心头，萦绕不去。而且，锂离子电池中所使用的电解液是一种有机物的混合液体，易燃易爆，这也是飞机等禁运锂离子电池的重要原因。

缺点如此明显的锂离子电池，实在不足以将人类引领到未来。所以，古迪纳夫又毅然投入到全新的电池研究中。他脑海中下一个可能改变世界的创新，就是全固态电池 。

当做出这个决定时，他90岁 。

全固态电池将原先的液态有机电解池换成一种全新的固态电解质。固态电解质不仅能够保证原有的储电性能，还能防止枝晶问题的产生，而且更安全，更廉价。

这个设想一直在古迪纳夫的脑海中盘旋，直到三年前，他偶然发现了一份来自葡萄牙的研究成果。这项研究宣称制备了一种玻璃，具有良好的锂离子传导能力，并且稳定性极好。这正是古迪纳夫想要的，于是他立即说服这位名叫布拉加的物理学家搬到奥斯汀，并立即将这种玻璃引入到全固态电池的研发中。

古迪纳夫认为这种玻璃是上帝赐予他的一个礼物：“就在我寻找着什么的时候，它走了进来。”

很快，古迪纳夫的全固态电池初见端倪，相关的研究成果已经被多个权威刊物报道[8,9]。虽然处于起步阶段，但古迪纳夫对这个方向充满了信心。毕竟，他已经近百岁了，再也不会担心失业问题，研究就是他最大的快乐 。

足够好了吗？

他不这么认为

他很喜欢自己说的“爬行乌龟”的比喻，在接受媒体采访时，他还补充道[10]：“这种贯穿一生的爬行有可能带来好处，尤其是在你穿越不同领域，一路收集各种线索的情况下。你得有相当多的经验，才能把不同的想法融汇在一起。”

30岁，入行。

58岁，钴酸锂。

75岁，磷酸铁锂。

94岁，全固态电池。

今年他95岁，几乎得到了一个科学家能得到的所有荣誉。但是，古迪纳夫从来没觉得自己已经good enough了，他只是不断收集线索，继续向前。

95岁的古迪纳夫仍然在思考着新的研究课题，图片来源：参考资料[11]

参考资料：

Goodenough, John B. (2008). Witness to Grace. ISBN 9781462607570.

Nazri, Gholam-Abbas, Pistoia, Gianfranco (2003). Lithium Batteries: Science and Technology

Jeff Dahn (2009). Electrically rechargeable metal-air batteries and compared to advanced lithium-ion battery.

Chemical Society Reviews 42.23 (2013): 9011-9034.

https://chemicalstructure.net/portfolio/lithium-iron-phosphate/

Nature Materials. July 2003, 2 (7): 464 – 467.

J. Electrochem. Soc., 1997, 144, 1609-1613

Energy & Environmental Science 10.1 (2017): 331-336.

Journal of the American Chemical Society 135.4 (2013): 1167-1176.

Pagan Kennedy (2017), To Be a Genius, Think Like a 94-Year-Old, https://cn.nytimes.com/opinion/20170411/to-be-a-genius-think-like-a-94-year-old/?mcubz=1

https://qz.com/929794/has-lithium-battery-genius-john-goodenough-done-it-again-colleagues-are-skeptical/

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作者：圆的方块

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