現在,深夜談話性節目主持人針對三星(Samsung)智慧型手機Galaxy Note 7電池燃爆意外的種種關注、評論甚至是取笑,都已經從觀眾的意識中消失了;在此事過境遷後,如今可能更值得回顧這一過程,看看我們究竟掌握了什麼資訊、遺漏了什麼或者還有哪些仍不明朗之處。

當然,這次的電池事件是一個重要的行銷和技術問題,因為這些電池問題導致了大規模的手機召回以及產品全面退出市場。技術上,導致電池發生問題的根本原因有二:電池組周圍的間隙不足,使其無可避免地發生了過熱膨脹現象;以及電池內的微小雜質刺穿了電池的隔離層。

一般來說,這些與電池測試有關的問題是相當複雜的,因此,更廣泛的關注在於元件的品質保證測試(確保不至於破壞電池)。當時,業界出現了許多文章分別從不同的角度觀察這件事。例如,《華爾街日報》(The Wall Street Journal)發表的「為何三星電池問題解決方案評分只有C?」(Why Samsung’s battery fix gets a grade C, for now)一文,記錄並隨時更新三星在測試過程中發生的事件與具體情形。

表1提供三星總結建立可接受的信心水準所需達到的多方面測試項目。(這份圖表資料是由三星提供的,而其中令人印象深刻之處在於顯示有成千上萬支手機與電池正進行測試中。設置如此規模的測試環境,必定是每個測試工程師的夢想同時也是與夢靨啊!)

20170612_battery_NT31P1 (來源:Samsung、The Wall Street Journal)

另一則文章來自《醫療設計簡報》(Medical Design Briefs)——「確保品質:降低鋰離子電池組的風險」(Quality Assurance: Risk Mitigation for Lithium-Ion Battery Packs),它並不僅限於三星的手機電池意外,而是著眼於整個鋰離子電池技術,探討一部份測試流程以及電池供應商在測試過程中應遵守的標準。文中還解釋測試結果如何用於作為品質保證反饋迴路的一部份,以瞭解與改善產品與過程。

這一切都很美好也相當重要。但是,電池的基本問題是:只能透過終端電壓和電流數據以及溫度和實體尺寸,非破壞性地將其視為「黑盒子」般進行檢測。如果還想了解更多,就必須進行深入的拆解分析。此外,雖然諸如穿刺等「具破壞性」的步驟可能有利於增進對於某些故障模式的評估,但無法觀察到最令人感興趣的熱失控(thermal runway)模式。

但在「黑盒子」研究方面也很有前景。英國倫敦大學學院(University College London;UCL)的一支研究團隊首次使用複雜的3D成像設置,能為鋰離子電池進行內部電腦斷層掃描(CAT),讓研究人員得以即時追蹤並觀察電池爆炸時內外發生的情況,如圖1。他們究竟如何以及執行了哪些步驟?又發現了什麼?才能成就這樣的研究成果?而不只是簡單地套用現有的CAT掃描技術?從圖中的同步加速器以及有趣的測試治具,能看出其中端倪嗎?

研究人員將兩種不同類型的鋰離子電池暴露於高溫中,結合X光射線和熱成像技術,記錄電池的內部結構和外部溫度變化,甚至捕捉到電池過熱起火的熱失控瞬間。結果顯示,電池內部的支援結構在熱失控爆發的瞬間,銅材料融化導致溫度升高至攝氏1,000度,熱量從內部傳遞到外部直接導致熱失控。相反地,沒有內部支援結構的電池在爆炸瞬間導致整個電池外殼與內部分離,在熱失控之前,緊密連接的電池核心也崩潰了,增加了內部短路和損毀附近物體的風險。

20170612_battery_NT31P2 圖1:(a)切割附加在旋轉台上的電池抑制設計,用於即時X光CAT掃描;(b)設備熱失控實驗的佈置;(c)以隔離的XY切片透過3D重建2.6-Ah電池(單元1)的XY、YZ和XZ平面之切片;(d) 以隔離的XY切片透過3D重建2.2-Ah電池(單元2)的XY、YZ和XZ平面之切片。 (來源:University College London、Nature)

相關技術細節已發表於《自然》(Nature)期刊的「鋰離子電池熱失控期間的高速斷層掃描」(In-operando high-speed tomography of lithium-ion batteries during thermal runaway)一文。理解鋰離子電池爆炸原因及其潛在危險連鎖反應,對於加強安全使用和設計流程非常重要。該校研究團隊在深入探討「電池安全」後還發表了「即時追蹤鋰離子電池爆炸內幕」(Tracking exploding Lithium-ion batteries in real-time)等引人注目的文章。

在《NASA技術簡報》(NASA Tech Briefs)期刊的「3D成像即時暴露電池退化」(3D Imaging Reveals Battery Degradation in Real Time)一文中,美國太空總署(NASA)的首席研究員也接受專訪,解釋目前在電池相關研究所遇到的問題以及如何透過此測試設置克服挑戰。這些文章中所討論的各種電池攸關議題在一般科學論文中一向較少著墨,但卻是測試工程師感興趣之處。

當然,想要針對些微差異的測試與品質問題提出新的見解極其困難,特別是有些「主題」並不會輕易地釋出其「秘密」。然而,透過新的儀器、配置、想法以及資金(當然不可或缺),它可能會更加可行。無論是從字面意義或比喻象徵意義來看,想想看在目前的測試與量測(T&M)設置中,您還想看到哪些事物?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Li-ion Battery Pack Tests: Easier Said Than Done,by Bill Schweber)