那一天,NB電池變成了恐怖分子?

簡介

我從網路上看到最近炒得非常火熱的攜帶式電子產品爆炸的新聞,後來證實是肇因於電池損壞,這讓人想起早在幾年前就零星聽到手機在褲子口袋中爆炸的報導,甚至更勁爆的,還有因為手機留在車內儀表板上而導致失火的事,這些事件,或許還有更多內容,都隨著這些大公司花大錢在庭外和解之後,悄悄地被掃到角落去了,儘管如此,科技演進踽踽獨行,進展到連mp3都可以上太空梭旅行,手機可能很快就會進入尋找外太空文明(SETI)的研究計畫之中,而最獨特的,就屬功能日漸強大的筆記型電腦,假以時日可能都會被列管而成為軍火武器來看待了。

而在這些風光的攜帶式裝置的背後是什麼在支撐的呢?為什麼這個狀似保守低調的電池會願意默默地辛勤工作,而不會尋求在時下流行的部落格中來個大鳴大放呢?反而還默默被埋沒在資訊的洪流之中,所以為了能夠幫電池平反,我們決定用上放大鏡和一些手工具,拆解來幫助大家了解這個重要的零件的特性,首先讓我們先從Google搜尋網站開始,請見下圖。

如果多達73,000項的搜尋結果都不會讓你的眉頭皺一下的話,不妨點選一、兩則來看一看,只要看到一些關於筆記型電腦的電池在登機門排隊隊伍中爆炸等「有趣」的報導,保證你會看到一堆說詞羅列其間,我們手邊剛好有從雅虎網站上拍賣得到的那台聲名狼藉的爆炸筆記型電腦,看來應該把它像手榴彈一樣丟進停車場裡,搞的大樓裡的人都人心惶惶,所以如果你覺得有興趣想要多了解這些電池的運作,以及想知道有什麼安全考量等其他議題的話,請你耐心讀下去。

鎳氫電池盒的內裡

摘要

老實說許多事情的解讀可謂人言言殊,所以接下來我會用幾個不同的說法來解釋電池的道理,基本上,我的重點會落在電池是如何運作來深入探討,然後,會拆解我的筆記型電腦電池,告訴你它是怎麼做出來的,接著會再著墨於電池的保養,以及安全防護和電池壽命的考量。

用水塔的例子解說電池的運作

為了方便解釋電子世界的運作,我們用水利設施來比擬說明,藉著水流和水管來分別代表電子和電線的關係,我想要說的是讓水塔的原理來代表電池的運作。

請見圖中所示,打開水龍頭,水就會流出水塔,而抽水馬達會重新補充水量進入水塔,每一個不同的水塔會有不同的高度和大小尺寸,所以會有不同的水壓和裝水容量,我們用的類比是:電壓等於水壓,電量等於水塔的大小,電流等於水流流速,而把抽水馬達想像成牆上電源的充電器後,你就可以搞清楚我們的例子了。

不同電池的化學特性,就好像不同水塔的結構一樣,會隨著水塔牆的厚薄、材料、造型和水壓的限制而不同,同時從安全考量來看,只要進水和出水的速度超過水塔所能掌控,水塔就會破裂損壞,拿電池用語來說,諸如高功率密度的電池鋰離子(Lithium-ion),電池就像水塔一樣,在同樣的容量空間之中,可以裝進更多的水。

所以當你看到任何的筆記型電腦電池時,都可以發現像下圖一樣的標籤和規格說明。

看這顆特殊的電池,其電壓相當的低,但是容量比其他的電池都大,如果你把它想成是一個高度非常低但是容量卻非常大的水塔,有非常多的水儲存其中,但是水壓不多,這是設計給電壓非常低而又要長時間工作的電腦來用,並充分滿足新力(Sony)TX的小型筆記型電腦之用。

偏重精細小巧的電池技術

現今有兩種用在電池上最常用的化學成分,那就是鎳金屬氫化物(NiMH:Nickel Metal Hydride)和鋰離子(Li-ion),這些技術都是由缺乏更高的功率密度和受到電池記憶效應的影響,而遭到淘汰的老一代鎳鎘(NiCad: Nickel-Cadmium)技術進化而來。

電池的保養和使用

從不同使用角度來衡量,鋰電池算是很挑剔的,就上面的比較表來看,鋰電池讓人覺得很囉唆,他們不喜歡非常熱,也不喜歡非常冷,討厭深度放電,更不悅於快充快放的充放電的方式,如果把電放的一乾二淨,又會壞掉,相較而來鎳氫電池就來的較為安全和無毒,當然鎳氫電池不能拿來火煮,如果放在架子上幾個月後,又會把電放的一滴不剩,讓你需要好幾次充電之後才可以回復滿載的充電容量,但是讓你因為不當使用而造成災難性爆炸的問題,倒也是少見,事實上,無論媒體或部落格上怎麼說,以百萬顆出貨的電池來算,大約少於百顆的數量會造成火焰燃燒情況,而其中僅有一小部份有爆炸發生,遇上的比例會比被流星打到的機會還稍大一些,所以假如你真的搞壞了一顆鋰電池,多半會讓你無法使用,所以你最好看一看電池的保養和使用的章節。

避免減少電池的使用壽命方法一:不要高溫使用

新進的筆記型電腦至少都會有一個風扇,會幫忙散熱到底部或後側面,可惜都會直接把熱氣吹向電池,對鋰電池來說,這就好像對電池直接加熱,造成電池壽命岌岌可危,一顆鋰電池充電40%放到冰箱裡冷藏可以保存十年,但是一台插電使用的筆記型電腦,宛如不斷對電池加熱的情況,通常只能撐12到18個月,電池就再見了,若你發現筆記型電腦用了一年之後,攜帶性的效果就變的奇差無比時,這個問題多半是熱所引起的;電池放在筆記型電腦的優點在免於無法插電時的斷電困擾,但是長久以來的插電使用,無異造成電池壽命長時期的流失,所以是不是要多考量筆記型電腦中的散熱系統呢?或許你的筆記型電腦終其一生都躺在你的書桌上插電使用,那是不是要把電池充好電就放進冰箱保存呢?

避免減少電池的使用壽命方法二:不要快速充電

無論電池化學成分為何,新一代的筆記型電腦流行電池快速充電的方式,快速充電容易讓電池受熱,造成電池內的化學成分轉變成氣體而有所流失,如果你還記得前面水塔的範例,快速充電表示抽水馬達用高壓將水很快的打進水塔之中,會造成電池急速損壞,普通一顆鎳氫電池有數百次的充放電使用,但是快速充電會明顯的讓充放電次速減少,再者,電池的損害也會由於快速充電而惡化,可惜的是筆記型電腦製造商忘了設計一個「氣體控制踏板」,用來根據文獻以節制充電速率。

聰明採購選擇

你打算好好的買一顆取代的新電池,通常你要換電池時,都有高容量的電池上市,要比較兩顆電池的好壞,我們可以用下列的簡單規則來做比較。

將電流(mAh:毫安培小時)乘上電壓(V:伏特),然後除上1000,可以得到瓦小時(Watt-Hours)的數值。

讓我們來試算一下:

首先,請你先從舊的電池上讀取mAh和伏特的數值,然後二者相乘之後,再除以1000,如果你的電池已經使用Ah為電流單位,那表示他們已經先除以1000了,舉例來說,如果你用10.8伏特和4400mAh的電池,算式就是:10.8 x 4400 / 1000 = 47.52,或者換算成48瓦小時(Wh),這可以給你一個有關於充電能量的參考數字,讓你在任何電池的比較中無往不利,假如你的電池是48Wh,而且看到店裡的電池標籤像下圖所示,表示這顆新電池95Wh是原本電池的兩倍容量。

通常電池容量的高低在於電池組數目的多寡,愈多的電池組數表示電池容量愈大,下圖中,你可以看到一台筆記型電腦被墊高了約一英吋,這是因為裝了12個電池組的電池所致。

兩種筆記型電腦專用電池的有趣透視

講完了一些電池理論的內容之後,我將拿起我的拆解工具(也就是螺絲起子),來看看筆記型電腦專用電池的內部實情,再也沒有比加以拆解後能更近一步了解技術內容更好的辦法了。筆記型電腦專用電池有趣的地方在於我俗稱為「床墊標籤」的東西,大部份的人一聽到爆炸電池時,只會提一提製造商標籤名字就算了,大概只有我會想辦法打開電池一探其中究竟。

大部份的筆記型電腦製造商會在電池的設計上設計防止開啟,並且讓要著手修補的動作留下證據,我並不建議你自行打開電池蓋的原因有二:第一,如果你不小心讓螺絲起子擠進其中的電池單體,結果造成電池組短路,你可能會完蛋,因為鋰電池爆炸時,會噴出一堆熱氣和許多有毒的化學物質;第二,打開之後要加以復原,並且放回筆記型電腦的困難度很高。合理打開電池的理由有:一、你要自行維修損壞的電池;二、你想要改善電池效能,決定自行組裝電池組以增加容量。你得要弄清楚當中的風險,我或本公司的網站是無法為你的粗心大意而負責。

鎳氫電池盒的內裡

這裡有一個東芝(Toshiba)電池盒,採用9.6伏特3000mAh的鎳氫電池的規格,這是一個比較老的技術,我拿來和戴爾(Dell)的鋰電池相比,稍後可以看到二者的差異,這個電池盒看不到可見的接縫,不過翻個面就可以看到如下圖所示。

一共有五個非常小巧的開啟點

剛好夠讓一根螺絲起子可以伸進去。

好了,我們終於可以打開!如圖所示,螺絲起子實在不算是一個適當的工具,看看邊緣破碎的損傷,但是還是打開了!我們得小心打開蓋子,將電池組取出。

東芝電池的內裝乾淨簡鍊,幾乎所有的空間都用來裝電池組,讓我們來瞄一下內層的結構。

如你所見,右邊一共有四個接點直接接到電池組的上面,鎳氫電池的技術是一個非常安全的設計,所以無需保護線路的輔助,所有的接線都在上緣的蠟紙上完成,只要能夠避免電池組意外的短路就可以了,下圖可以看到撕開蠟紙後的裝置。

這一層可以看到紅色的乙烯基絕緣紙下面蓋著四顆一組的鎳氫電池,一共有兩組各四顆的鎳氫電池單體,這裡比較有趣的一點是,東芝用一客製的方盒子來承裝所有的電池,通常電池的單體會是圓柱狀的外觀,就像AA、C或D的鹼性電池一樣,在這個盒子中,東芝讓每一個空間都能用來裝載鎳氫電池的單體,以提高整體的效能;由於整盒電池是9.6V @ 3000mAh的容量,這表示內有兩個4.8V @ 3000mAh模組,而每一個鎳氫電池的單體是1.2V @ 750mAh,這整個電池盒是因應老一代筆記型電腦所設計,可以讓你了解鎳氫電池技術的演進,同時我將拿這個客製的東芝盒裝鎳氫電池組,與我從eBay網站花1.99美元買的鎳氫電池單體,做一比較。

而每一顆AA的鎳氫電池也是標示為1.2V,它的容量幾乎是這數年前的東芝盒裝電池單體的3.6容量,而且體積還要更小得多,如果我把eBay買回來的 AA電池裝到東芝的客製盒中取代舊的電池單體,理論上這可以讓這個電池合一下子成長到9.6V at 10,800mAh的容量,約是原本的3.6倍的使用時間,而且也會相容,其內裝的空間也會非常的合適;不過,這還是等以後有空再來做吧。

鋰電池盒的內裡

讓我們來看由戴爾電腦來的較新的鋰電池盒,這個電池盒已經損壞,規格是14.8v @ 3600mAh的容量。

在戴爾的鋰電池盒的接縫處倒是容易看見,不過真的是非常非常緊的接縫,我們拿螺絲起子的邊緣來和接縫處相比,的確是很小。

幸運的是我們終於找到一處靠近接頭的地方湊巧有一個較寬的接縫點,用螺絲起子加以撐開。

接著,小心的撬開整個接縫的邊緣,我看到真正製造商的名字標示在內。

但是這沒什麼可以大驚小怪的,如果你有注意近日來的新聞,你應該不陌生新力的Energytec工廠已經幫戴爾代工製造電池有好一段時日了,圖上所看到的是新力鋰電池的充電線路,還用五個LED顯示燈表示充電的狀態,這看起來要比東芝的電池要複雜得多了。如果你還記得鎳氫電池的端點直接就接在電池組上印象時,這圖上的複雜度顯然非常意外,不過鋰電池本來就比較容易出狀況,前面的比較表上,你也可以看到一些保護線路提供一些防範所需。

把盒蓋進一步開啟之後:

一共有兩組四顆綠色電池的配置,看起來像AA電池,不過並不是如此,他們只是用同樣方式包裝起來,但是裡面的化學成分和大小並不相同,下一圖是更近一點的圖示。

這些是新力的Energytec 18650GR電池,是用在許多電子裝置的電池,規格是1800mAh @ 3.7v,整個電池盒可以有3600mAh @ 14.8伏特的條件,如上圖所示,電池盒內是兩兩相連的電池組所組成,所以每一對可以貢獻7.4v @ 3600mAh的容量,並連串在一起之後,就可以產生14.8伏特的電壓。一般來說,電池盒由許多的成對電池組所組成的原因有三,第一是可以因此簡化充電線路;第二,充電器可以用較低的電壓對不同組的電池充電;第三,如果有任何一顆電池故障,充電線路就可以隨時確認,並且可以立即加以隔離,或是宣告整個電池盒故障。有一些新保護線路會偵測出即將爆炸情況,而會將電池通風孔打開,以便於讓熱氣可以有所宣洩,因而降低爆炸的發生,雖然熱氣宣洩對你的筆記型電腦多有損傷,但也是不得不做的必要之惡了。

結論

電池的未來展望

大部份的主要電池品牌都是以日本為大宗,像新力的Energytec部門就是一個出貨量大的來源,原因也是在於新力在電池技術技冠群倫,我們也觀察到,新力在電池安全的工程技術上琢磨多年,但依然無法確保百分之百的安全,早先所發生的電池爆炸個案,多半是毫無保護線路或製造安全措施較差的大陸所出產的白牌電池,但是時至今日,連大品牌的電池也不見得完全沒有問題。

至於未來電池的發展如何呢?燃料電池的發展顯然帶來無限的希望,基本上來說,這個技術在於使用能源液體或膠狀物質,就像汽油注入汽車油箱的做法一樣,現今可知採用酒精或碳氫液體時,可以有高能量密度的表現,將高容量電池結合我們所熟知由易燃液體可能引起的危險時,且讓我們拭目以待,看看注入易燃物質到我們電子產品上的後續發展。

本文學到的十件有關於電池的重點

  1. 讓筆記型電腦的電池保持在涼爽環境,可以延長使用壽命

  2. 筆記型電腦的快速充電功能反而會造成電池的加速損壞。

  3. 讓你的電池經常處於充放電循環時,也會加速電池的損壞。

  4. 兩個電池之間的比較,記得用瓦小時(Watt-hours也就是電壓乘以mAh,再除以1000所得的數字)為單位。

  5. 不要輕易拆解你的電池盒,除非你有好的理由。

  6. 鋰電池雖然不是百分之百安全,縱使有爆炸事情會發生,但是不至於會讓你碰上。

  7. 鎳氫電池是比較安全的,可惜容量不夠大。

  8. 鋰電池只可以撐12到18個月,這是因為筆記型電腦內部的溫度較高所致。

  9. 鎳氫電池的壽命基本上用充放電次數來計算,約300次的充放電循環。

  10. 不要小看外觀呆板的筆記型電腦電池盒,其內部色彩斑瀾,學問多多。

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