【研究背景】
近年来，人们出于对健康问题的考虑，越来越多地使用电子烟代替传统的香烟。据统计，全球与中国电子香烟锂电池市场在2022年的市场规模分别为79.4亿元（人民币）与28.58亿元。电子烟是一种模拟传统香烟工作的电子设备，由雾化器、盛放尼古丁溶液的烟管、锂电池三部分组成。其中，锂电池占总成本的10-30%。以市场上最为畅销的IQOS电子烟为例，其电池部分成本占比为16%。以往电子烟锂电池供应商有Sony、LG、SAMSUNG、松下等传统品牌企业。如今，这块大蛋糕也迎来了更多的入局者，比如亿纬锂能等。
电子烟锂电池的结构非常复杂，但大致可以分为两部分：充电电池和储存电能。充电电池提供能量给手机、笔记本电脑等设备使用；而储存电能则是把电子烟抽吸出来之后所需要的电力存入储能单元进行存储。然而，一次性电子香烟的丢弃伴随着内部锂离子电池的遗弃，造成了一定程度的浪费。一次性电子烟中的电池是否有二次利用的价值？目前应用的电池是否合理？对资源利用率和消费者人身安全有怎样的影响？
【文章简介】
基于此，伦敦大学学院Paul R. Shearing团队在Joule上发表题为“Up in smoke: Considerations for lithium-ion batteries in disposable e-cigarettes”的研究论文，作者仔细研究了一次性电子烟中锂离子电池的充放电性能及安全性。结果表明，一次性电子烟锂电池能在1C倍率下充放电474次后依然保持80%的容量保持率。穿刺实验结果显示明显的气体排出对应最高温度为495°C。该工作表明一次性香烟中的锂离子电池有一定的安全隐患，但总体上具备一定的二次使用能力。这种结果和电池的一次性使用定位有些冲突，需加强管理和相关规定的建设以避免资源的浪费，保证消费者的自身安全。
【图文导读】
关于电子香烟的危害性，人们做过很多研究，其作为普通香烟的替代品为大多数人所接受，但是伴随着一次性电子香烟的丢弃，其内部的锂离子电池也随之废弃，有关这部分的回收利用研究较少。自2021年来，一次性电子香烟的普及程度迅速上升，电池的废弃和处理问题也变得愈发重要。
图1 一次性电子烟的零件图像与x射线CT对整个装置和电池的截面扫描
作者拆解电子烟发现传感器、电池和雾化器嵌在浸过液体的海绵里。如图1A所示，电池的额定电压为550 mAh，标称电压为3.7 V。从未使用的电子烟中收集的电池的电压在4.1到4.2 V之间。对未使用的电子烟进行了X射线CT检测(图1B)。从图1B、C可以看出，电池中电极层并未严格对齐，正极和铜集流体的边缘没有完全对齐，这种不对准会因操作不当或重复循环而导致安全隐患。为了进一步研究，对电池进行进一步的ROI扫描(图1C、D)。在这里，作者可以更详细地看到这种不对齐，外部周围的层逐渐向电池底部倾斜。
图2 电子烟电池的倍率性能测试
对电池进行电化学性能测试，如图2所示。为了进一步评估电子烟电池的性能，作者将四个电池以不同的倍率(C/5、C/2、1C和2C)进行长循环测试，直到衰减至初始容量的80%或循环150天。电池容量在C/10时降至585-595 mAh，在1C时降至545-560 mAh。由于关于电池安全操作的信息有限，1C是这部分实验中使用的最高倍率。如图2C所示，后来在长循环中使用了2C的倍率。对于这种定位一次性的电池来说，其倍率性能十分优异。在C/10和1C之间的容量降低了10%。如图2B所示，充放电曲线在不同倍率下的形状较为相似，初始的电压降则宿舍倍率增加而增加。总的来说，一次性电子烟电池的循环性能是非常出色的，即使电池以2C的速度循环，也能在近400次循环中保持80%以上的初始容量。因此，对这种电池的直接丢弃是十分浪费的，其具备回收和二次使用的价值。
图3 一次性电子烟电池的穿刺实验及温度信号响应
为了研究一次性电子烟的安全特性，作者还对充满电的电池进行了穿刺实验(图3)，直接放在电池上的热电偶记录了过程中的最高温度(495°C)。设备的外部温度较低:电池外部温度为270°C，电池盖附近温度为170°C。尽管设备的外壳看起来已经将电池绝缘，但270°C仍然是一个非常高的温度，可能会导致严重烧伤或引发火灾。X射线CT用于对整个电子烟进行进行ROI扫描(图3C-3E)。两组图像都显示，钉子并没有干净利落直接穿透，而是发生了侧偏，在偏离中心的地方钻了一个洞。与钉子直接落地相比，偏转的撞击可能会导致电池起火失效。从CT结果中看出，电池基本上保持了完整性，没有内部分解产物喷射出来。然而即使没有喷射，穿刺电池达到的温度和释放的有毒气体仍然对人们的健康构成危害。整个电子烟扫描显示，海绵的大部分已经分解，可能是由于塑料融化。因此，释放的大部分烟雾和气体可能来自燃烧的塑料、海绵和尼古丁液体。
【总结】
在这项工作中，作者对一次性电子烟中的电池进行了电化学和安全性测试。在1C和C/20下，电池容量保持率达到90%。所有测试的电池都显示出在出现明显的容量衰减之前电池可以循环数百次。从安全的角度来看，针刺实验中电池排出大量烟雾，最高温度为495℃。CT结果显示，电子烟的一些成分已经融化，这可能是产气的原因。然而，成像的结果也显示电池没有经历明显的物质喷射或爆炸。总的来说：如果不小心处理，充满电的一次性电子烟电池会对健康造成重大危害。此外，作为一次性使用出售的电池能够重复循环，可能作为第二次使用的一部分。作者推测，这些电池以这种方式出售是为了逃避充电所需的安全标准，尽管它们包含了所有必要的材料。为了防止宝贵材料的浪费，需要加强监管，提升资源的利用率和电池安全性。
【文献详情】
Hamish T. Reid, Arthur Fordham, Lara Rasha, Mark Buckwell, Daniel J.L. Brett, Rhodri Jervis, Paul R. Shearing. Up in smoke: Considerations for lithium-ion batteries in disposable e-cigarettes.Joule 2023, 7，1-11.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435123004828#undfig1
