Samsung Note7電池為何爆炸 ?

近期Samsung 由於Note7電池爆炸事件,宣佈在全球範圍召回Galaxy Note 7,引起軒然大波讓Samsung在財務及商譽都蒙受極大損失。鋰電池雖然普遍使用於3C產品上但其不安定化學特性問題讓鋰電池的安全性總是備受質疑。不管是手機、平板電腦、行動電源、筆記型筆電、電動滑板車、飛機..都有鋰電池所導致層出不窮的安全事故。

雖然三星這次在Note7全球召回上展現極大誠意不過再大的誠意也敵不過嗜血成性的商場鬥爭與因陌生產生恐懼的人性,有關三星手機因電池安全疑慮的各式落井下石或投鼠忌器的報導不斷,也出現一些零星貪婪行為(如故意將手機毀損換新機…)。鋰電池發生爆炸意外的原因其實很多包括電池內部/外部短路、電池被穿刺或折彎、過度充電..等等(詳見這裡,由於相比前幾代Note與S系列產品,Galaxy Note 7的設計與採用的主要零組件並沒有明顯的不同,根據目前三星官方說法及事證來看八九不離十就是三星SDI 所產製的鋰電池蕊品質有瑕疵導致內部短路所致。

雖然三星將矛頭指向三星SDI電池品質問題的說法信者恆信、不信者恆不信,以下純就版主的觀點來探討為何這次Note7的電池為何會發生內部短路釀下這場災難:

三星電池爆炸  

圖片來源 : 網路

 

1. 鋰電池蕊為何會內部短路:

鋰電池的基本構造上主要是包含電極 (正、負極)、電解液、隔離膜及罐體等四大部分。鋰電池兩端分為正負兩極,中間裝著電解液,電壓流經電解液,將鋰離子從一端帶到另外一端,這就是充電(正到負)與放電(負到正)的過程。

三星Note7這次所使用的鋰電池稱為鋰高分子電池(Lithium Polyme Battery,俗稱鋰聚合物電池),由正極極板(鋁)與負極極板(銅)與隔離膜所捲繞而成,導電柄正極為鋁、負極為鎳,外殼以鋁箔沖殼封裝而成。

鋰電池結構  

圖片來源 :宏瀨科技

 

鋰電池的電池蕊發生內部短路的原因通常有二:

 

A. 廠商工藝控制不力:

生產與品質技術不到位的鋰電池廠商容易發生如如漿料分散、C/A比離散性、溫度控制、濕度控制(水)…工藝控制不力就容易發生內部短路問題尤其因充電中的高活性鋰碳化合物對水非常敏感,若除濕做得不好將會產生化學反應產出氣體將會造成電芯內壓升高,導致電池蕊膨脹。另外,若封裝時讓灰塵等異物跑進去鋰電池罐子的電解液內或是讓鋰電池在高濕高溫環境下導致鋰分子發生異常化學變化就有可能發生內部短路。’

 

B. 隔離膜品質不佳或破損:

隔離膜是位於兩個正負極之間,做為隔離電極,除了要讓電離子可自由通過外,也要避免兩極上活性物質直接接觸,以免內部短路。目前的商業用的鋰電池隔離膜大多採用多孔性高分子膜,孔隙率約40%,膜厚約20um,成本約占鋰電池蕊Bom成本的15%。當電池出現不正常高溫時,多孔性高分子膜由於其結晶態與無型態之間的密度差,在軟化點溫度開始收縮,關閉原先作為離子通道的細孔,避免溫度持續升高導致爆炸,可以說是鋰電池安全性的關鍵零組件。

根據三星官方說法,Note 7電池爆炸事故是三星SDI製造方面出問題,因為「一個非常罕見的製造過程失誤」導致電池內正、負離子相接觸而造成電池自燃」。換言之,Note 7電池爆炸事故的主因目前是被歸咎在於電池蕊的隔離膜因一個罕見的製造失誤讓其無法有效在電池不正常高溫下關閉而發生自燃事故。

電池隔離膜

圖片來源 : 網路

 

2. 為何是三星SDI生產的Note7鋰電池出問題?

這次被指為Note7鋰電池自燃罪魁禍首~Samsung SDI(韓國三星SDI;006400.KS)創立於1970年,主要生產鋰離子電池、汽車電池、液晶面板零組件及太陽能面板,三星電子是大股東,持股19.58%。三星SDI雖然早期是以面板為主,近幾年在三星集團扶植之下,在鋰離子電池的銷售表現非常亮眼,2015年的全球市佔高達30%。換言之Samsung SDI 在鋰電池產業算是響噹噹的廠商,但為何會犯下電池內部短路這種大廠罕見的大失誤呢?  版主推測有以下原因: 

 

A. 三星SDI可能在高分子鋰電池的製造技術不夠純熟:

 雖然Samsung SDI 在傳統的鋰離子電池(18650圓柱形鋰電池/角形鋰電池)銷量居全球之冠,但在高分子鋰電池(鋰聚合物電池)的供應產能占比只有11%,落後ATL(新能源科技)、Sony,居第三名。根據EnergyTrend 統計,2011 年全球智慧型手機高分子電池使用佔比僅約 35%,但2016 年已高達 70%。為扶植Samsung SDI 在高分子鋰電池的勢力,三星首次讓Samsung SDI 擔大綱,承接Note 7高分子鋰電池的60%供應 。

推測Samsung SDI 在高分子鋰電池的產製經驗仍不足,為滿足Note7銷售熱潮,拼命趕工下加上可能沒有將電池蕊置放25天以上以讓鋰分子安定後才能出貨,導致發生「一個非常罕見的製造過程失誤」導致電池內正、負離子相接觸而造成電池自燃

 鋰聚合物廠商  

圖片來源 : EnergyTrend

 

B. 三星Note7電池的能量密度過高,提升電池的不安全性:

由於近年來手機鋰電池為了滿足長時間的使用需求,能量密度不斷提升,市場主流已超過680Wh/kg,能量密度甚至超過發展時間更長的筆電鋰電池產品,因此大大增加電池安全性的疑慮。根據目前主流的5.5吋~5.7吋智慧型手機,相較於其他品牌大都使用3,000mAh左右容量的鋰電池,Samsung 自Galaxy S7以後的旗艦機都使用更高能量密度(3,500~3,600mAh)的鋰電池。由於越高能量密度的鋰電池技術層次越高,"推測“SDI在高分子鋰電池的產製技術不足下,為了跟上ATL所能提供的容量規格,可能犧牲隔離膜的厚度或是讓正負極極版的位置過於接近所致。

電池容量比較  

 

由於手機越來越薄型化的設計,加上防水功能及快速充電的功能越來越受歡迎,讓電池與機殼之間的安全間隙變得越來越小,即使電池蕊本身加了多重防護措施,隨著高分子鋰電池因充電而膨脹,有可能擠壓到電路板與其他零件,造成手機內部電路的短路或電弧產生而引起電池與手機一起燃燒的危險。相較於Apple 在歷代iPhone所採用鋰電池容量提升上異常保守,三星則偏愛在其旗艦機使用能量密度較高(容量較大)但安全風險較高的鋰電池。

規格提升與安全有時像魚與熊掌無法兼得,提醒三星要記取Note7慘痛教訓,對於使用高於業界水準以上的能量密度較高鋰電池一定要有所有敬畏,不再一味要求兼顧電池價格與能量密度的表現,否則三星手機電池易爆炸的刻板印象將揮之不去。

三星  

  

三星Note7電池爆炸事件讓三星付出了慘痛的財務與商譽的代價,也讓大眾再次喚醒對鋰電池使用安全的重視。鋰電池雖然一直有安全性的疑慮,但只要經過合格工廠並通過安全檢測規格的鋰電池,安全其實是無虞的。多數鋰電池的安全事故仍是外部過度充電與外部短路所引起居多,這次鋰電池因製造疏忽導致發生內部短路造引發電池自燃或爆炸算是較罕見的案例。 

借鏡三星Note7的慘痛教訓,希望各手機大廠切記:「【電池成本】誠可貴、【能量密度】價更高,若為【安全】故,兩者皆可拋! 」

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