近期，多個品牌充電寶廠家因電芯存在安全風險實施召回，而此前國家市場監督管理總局已撤銷或暫停了多個充電寶及電芯廠家 3c 認證。6月26日，民航局發布緊急通知，自 6 月 28 日起禁止旅客攜帶沒有 3c 標識、3c 標識不清晰、被召回型號或批次的充電寶乘坐境內航班，以保障航空運行安全。3c 認證，即「中國強制性產品認證」（china compulsory certification），是我國依法實施的強制性市場准入制度。
一時間，充電寶安全性又成為公眾關注的問題。你手上的充電寶是否帶有3c認證？或許並不為所有人知的是，充電寶所攜帶的能量很少，但若事故發生，產生的威力卻很大！
撰文 | 李存璞（重慶大學化學化工學院教授，中國化學會科普工作委員會委員）
隨著羅馬仕充電寶召回事件的發酵，機場出發層被暫扣的充電寶可能已經比打火機還要多。一時間，充電寶彷彿變成了「小型燃燒彈」，回家檢查自己充電寶是否具有3c認證，或者乾脆想辦法購買3c認證貼紙（這是違法行為！），成了不少讀者看到這一新聞的第一反應。
可是，我們明明用了很多年的充電寶，怎麼它突然就變得熟悉又陌生呢？如何儘可能地挽回充電寶，讓它健康、安全、幸福地度過一生，本文也許可以給你一些參考。
01
一個充電寶，一個化學反應器
幾乎所有的充電寶都是化學電源。當我們用加粗、標紅這種老式流行風尚來標註前面這句話時，說明這可能是一句陳詞濫調，但又應該有一些新的思考值得體會。
化學電源是指通過化學反應釋放能量並轉化為電能的一類裝置，通俗來說，就是利用化學反應『發電』的電源。
目前的商用充電寶，一般以鋰離子電池作為化學能-電能轉換的電芯。作為2019年諾貝爾化學獎的獲獎成果，如圖1所示[1]，當充電寶對外供電（如給手機充電）的時候，其發生自發的化學反應：電子從外電路由負極經過手機等用電器到達正極；電芯內部，鋰離子從負極經電解液向正極遷移，完成整個電池迴路。而當給充電寶充電的時候，上述過程逆向發生。
圖1 鈷酸鋰作為正極、碳為負極的鋰離子電池放電示意圖。圖源：參考文獻[1]
所以充電寶的每一次充電/放電，其實都是電芯內部發生化學反應，從而將電能轉換為化學能（充電），或者將化學能轉化為電能（放電）：是的，我們攜帶的充電寶，本質上攜帶的是一個化學反應器。
02
購買充電寶，是購買「能量密度」
既然是一個化學反應器，那我們必然希望它能盡量多地儲存能量——在有限的體積與重量的前提下。當我們購買一個商家標稱的5000或者10000毫安時（mah）的充電寶時，我們可能誤以為這就是它擁有的能量，但其實毫安時是一個電量單位，並不等同於能量。電量q被定義為電流i乘以時間t：
q=i×t
因此，1毫安時其實是1毫安（ma）的電流經過1小時（3600s）積累所攜帶的電荷量，單位為庫倫（c），即：
電能w則被定義為電勢差（或者電壓）乘以電量：
w=u×q
對於常見的如鈷酸鋰為正極、碳為負極的鋰離子電池而言，其電壓一般是3.8v，因此一個10000 mah的充電寶所能攜帶的能量為：
136,800焦耳，看起來很大，但其實一點都不大。當我們把它轉化成我們常用的電能單位，比如1度電（1 kwh），因為1wh=1w×3600s=3600j, 那麼這個充電寶的能量是：
這個充電寶僅僅能儲存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，如果我們想要攜帶一個1度電能量的充電寶，那麼一般其重量約為：
對於消費者而言，當然是想要購買一個重量盡量小、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幾次。
既然充電寶是一個化學反應器，那是不是可以找那些儘可能高能量的化學反應為我們服務呢？
當然可以，如果我們並不在乎安不安全。
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；汽油燃燒反應的能量密度約為12000 wh/kg，甚至是tnt的10倍。當我們仔細分析這些數字的時候，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？
這時候需要一些初中化學的配平知識來幫我們釐清能量與化學反應的關係。
從上述反應可以看到，當我們只考慮鋰離子電池的正極-負極材料之間的反應，而忽略電池附件（比如電池殼、隔膜、電解液等）的重量時，鋰離子電池的能量密度甚至已經達到tnt炸藥爆炸反應的一半。而辛烷汽油的燃燒反應，儘管能量密度很高，但還需要從外界結合氧氣才能發生，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電好了？當然可以，但這一切的難度在於我們需要的是一個可控的化學反應器，要能夠控制電子的走向——電子走外電路給用電器供電；要能夠控制反應速度不快不慢——太快了要爆炸，太慢了用電器等不及。對於汽油而言，燃料電池也許是一個不錯的可控反應器，但技術還遠未成熟。
鋰離子電池幾乎是目前化學能-電能轉換裝置的最優解，畢竟其儲存的化學能可以有tnt炸藥的一半之多。但也正因如此，鋰離子電池炸起來威力很大。
03
為什麼會炸
目前廣泛採用的鋰離子電池中，正極材料包括鈷酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等；負極材料則主要為碳材料，亦有添加硅的硅碳負極以提升電池能量密度。成本、能量密度、功率密度（單位時間能放出的能量）、安全性，這四個指標是充電產品的核心，但顯然四者很難兼顧。
鈷酸鋰是目前大多數手機等小型數碼設備所用鋰離子電池的正極材料，相較來說，其電壓最高、功率密度和能量密度最有優勢，但成本高；大型儲能裝置則往往使用成本最低、性能最差的磷酸鐵鋰正極，其安全性也有優勢；而充電寶、電動汽車等，很多產品採用三元材料[例如鎳鈷錳（ncm），主要產品有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選正極材料，但安全性較差，其原因在於為了提升電池的能量密度，三元正極材料的電勢較高（氧化性強、電池電壓高），鎳元素比較容易在高電勢下發生氧化反應，導致電池正極材料結構破壞。同時過高的電池電壓，容易導致鋰離子電池中的有機電解液分解或者與負極反應。有機電解液發生的反應，是電池正負極儲存的能量之外的額外氧化還原反應，會釋放大量能量，且由於不經過外電路控制反應速率，能量釋放速度快。一旦電池內部熱量失控，電解液會加速分解為氣體，導致電池破損，此時有機的電解液遇到空氣中的氧氣，且處於高溫環境，那麼如同汽油燃燒一般的熱失控會隨之發生。（關於鋰電池燃爆的具體原因，可參見《電動汽車因何爆炸？揭開鋰電池「王炸」的秘密》）
你看，充電寶的自燃果然嚴重：在熱失控的初期，是類似tnt爆炸的有限空間自發氧化還原反應（能量有tnt爆炸的一半）；熱失控的後期，則是類似汽油燃燒的劇烈放熱過程。對於飛機這種對安全極度重視的運輸工具，自然要十分小心充電寶。
04
如何不炸？
想要充電寶不炸其實不難。
事實上，發生自燃、爆炸的充電寶往往不是處於每天都在使用的狀態，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。
原因還可以從鋰離子電池儲存能量的原理得出。當我們給充電寶充電時，是將電能轉化為化學能儲存到正極與負極中；電池充滿的狀態，其所蘊含的能量最高，且正極的氧化性最強、負極的還原性最強。在這一狀態長期放置，即使沒有外電路接通，正極的強氧化性也會導致正極中的鎳元素（三元正極材料），或者鈷元素（鈷酸鋰正極）溶出，正極材料結構破壞，或者直接導致電解液分解。同樣的，處於強還原狀態的負極材料，也會與電解液反應，導致電池內部能量積累。時刻謹記，一個充滿電的充電寶，儲存有約等於其一半重量tnt的能量，就是個小炸彈！
上述電池內部的自發副反應過程一般十分緩慢，每天/每周充放電使用的充電寶不會始終處於充滿的高能量狀態，因此很少發生自燃自爆。同樣的原因，我們每天使用的手機，幾乎每天都要充電1-2次，更難發生自燃（除了幾年前有產品設計缺陷的某品牌note系列手機）。
那麼如何減少充電寶自燃（甚至包括電動汽車、鋰離子電池電動自行車等）呢？
首先，需要廠家負起安全責任感，做好電路控制與阻燃措施，防止充電寶電芯過充、過放，保證電極材料的穩定。阻燃材料的使用，是充電寶出現事故時的最後一道防火牆，不要為了節約成本而減配，這也是3c認證的一部分意義所在。
其次，作為消費者而言，選擇磷酸鐵鋰作為正極的鋰離子電池自燃風險會低一些，因為其電池電壓低，本身儲存的能量也少，材料結構也相對穩定。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。
最關鍵的，在用戶端，對於三元正極、鈷酸鋰正極的充電寶等產品而言，不要讓電池處於充滿電狀態持續存放至關重要。下表是國外某品牌的儲能裝置儲存條件要求。
soc是電池的荷電狀態（state of charge），可以簡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）是電池儲存的要求。並且應該根據不同溫度，每年/每半年對電池做一次充放電，原因就在於長期滿電狀態儲存容易導致電池故障、失效，甚至發生自燃。而放空電池進行儲存，則可能導致負極結構被破壞，雖然自燃風險較低，但容易導致電池失效。
對於充電寶而言，如果不頻繁使用，建議充到50%電量儲存，這樣可以大大延長其使用壽命、降低自燃風險。手機、電動汽車等也不建議充滿電後長期不使用。而對於不再需要的充電寶等鋰離子電池產品，目前一般按照可回收垃圾來處理。但由於鋰離子電池一方面有自燃風險，另一方面又是珍貴的資源，可以專門回收應用。因此建議儘快建立鋰電池回收機制，把風險變收益，把垃圾變寶貝。
儘管這種方式可能並不符合用戶習慣，但卻是對用戶最好的保障，也建議廠家在充電寶使用說明書中提供對應的儲存建議信息，方便消費者安全、長期、可靠地使用充電寶。
鋰離子電池自燃並不可怕，可怕的是使用不當。當然，科學家們還是應該進一步努力，早日實現本質安全的鋰離子電池。
參考文獻
[1] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/popular-information/
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