相對于Samsung,Apple在電池方面一直相對保守穩健,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健策略,筆者個人認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.事實上,Apple增加電池續航的做法更多地是通過優化軟件和芯片設計.

筆者個人傾向于認為,Note7電芯生產工藝上的某些缺陷是導致此次大規模事故的另外一個重要的原因.Note7的軟包電芯可以1.2C直充快充,能量密度超過720Wh/L.為了達到這么高的能量密度,那么就必須進一步提高電極的壓實密度,并且進一步增加電芯的卷繞緊張力.

從機械結構角度而言,過高的卷繞緊密度(張力)會使得R角處極片宏觀界面更加不均勻,正負極曲率匹配度更差、隔膜褶皺加劇,從而加大負極析鋰的概率,這一點從常規軟包卷繞JR滿充拆解電芯的常規觀察中即可發現.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區域,更不用說這次是采用了"極限設計"之后了.

根據一位SamsumgSDI員工所披露的內部分析報告顯示,SDI為了提升電池安全性,改進了電池底部short以及正負極tab與極板焊接所產生的short,但是電池上部R角仍然出現了短路問題.如果R角存在偏繞不良或者磕傷,那么就可能導致正負極接觸而發生內短路.

另一方面,這些極端的工藝措施必將放大各種生產和設計上的局限,比如極片上有一點工藝缺陷、一個金屬小毛刺、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稱應力的作用下,都將會增加電芯內部正負極內短路的幾率.過度施加壓力會造成電池內部不均勻應力增大,尤其對于疊壓在一起的正負極極片,如果有部分區域的內應力很大,那么這部分區域的電化學甚至機械性能就會和電池內部的其他區域產生差異,比如說某個區域過熱會形成梯度,甚至熱脹冷縮系數和其他部分也不一樣,從而造成鼓包甚至內短路發生.

筆者這里要強調的是,這次Note7大規模事故應該是一系列問題綜合作用的結果,而非僅僅是因為某個特定原因.為了一味追求性能指標而過度增加電池內部的機械壓力而埋下一個隱患,被放大的工藝缺陷可以成為導火索,但筆者覺得另一個導火索可能與三星鼓吹的快速充電有關.

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構設計也對倍率性能有較大影響.但是從最本征的載流子傳導與輸運行為而言,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與電解液的放熱副反應,負極石墨片層同樣也可能受到損害甚至發生析鋰,這些因素不僅加速電池容量的衰減并且帶來安全隱患,尤其是在電池升溫的情況下上述問題將更加嚴重.

從極片工藝角度而言,過高的壓實和loading都會增大極化,尤其是在高倍率下.而且卷繞結構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,這就進一步惡化了內阻.一般而言,疊片工藝對高倍率快充電芯更為合適,只是目前在消費電子領域的應用還不太多.

SamsungSDI在Note7上采用了一些新的電池設計.一般而言,新電池從設計到量產實現是有一定過程的,這個期間一般都會出現不穩定的情況也就是良品率不高的問題.Samsung急于跟iPhone7搶時間提前發布,會不會因為追求產量而在一定程度犧牲良品率?

筆者個人認為,SamsungSDI和ATL這樣國際大廠,次品率可以控制到ppm量級.旗艦手機產品發布前第一批電芯的制作是絕對不允許出現紕漏的,Samsung方面一定會派人駐廠嚴加監控.因此從理論上而言,良品率的控制似乎不應該是此次Note7安全事故的主要原因.但是筆者堅持認為,如何平衡量產的良品率與工藝復雜性(成本)問題,則是電芯廠和手機廠商都不得不認真思考的.

綜上所述,我們可以簡單總結一下Note7電池發生事故的原因:為了生產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械壓力—充放電導致電池內部內應力不均勻/副反應導致發熱—正負極之間接觸而短路的機率增大—各種制造、材料等缺陷被放大—快速充電—電池過熱/形變—各種缺陷進一步放大—電池內短路—電池完全進入熱失控—電池燃燒/起火/爆炸.

三星事故是偶然嗎?

筆者個人認為,此次Note7事故看似偶然實則必然.這是對當前業界比拼硬件功能,單純片面地通過挑戰鋰離子電池電極材料和電芯生產工藝的極限來追求高能量密度(長續航時間)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手機大范圍起火爆炸證明這種努力實際上起到了適得其反的作用.

在技術沒有完全成熟的情況下,如果一味地盲目追求高技術指標,那結果只能像三星這次一樣步子邁得太大扯著了蛋.當年波音為了標榜自己技術先進在787"夢幻"客機上率先將"不先進不環保"的鎳鎘電池(鎳鎘電池由于可靠性極高一直是特種業的主流電源)替換成鋰離子電池,后果同樣極其嚴重.

Note7電池大部分由韓國SamsungSDI生產,中國銷售的則由ATL提供電池.最近國行版的Note7也發生了爆炸事件,引發了業界對ATL的質疑.筆者這里要強調的是,不論是給Samsung還是給Apple生產電池,ATL都必須與客戶多次反復討論嚴格按照手機廠家的技術要求和規范進行,產品方才可以定型.也就是說ATL自身在原材料和電化學體系的選擇、電芯生產工藝以及電池檢測標準方面自由發揮的余地其實是很有限的,由于ATL自身設計和生產失誤導致Note7電池大規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可向他們提供高品質的電池,筆者并不認為ATL的電池生產技術存在問題,更傾向于認為國行版的Note7電池問題主要在于SamsungSDI所要求的電化學體系以及工藝技術的規范和標準等方面.