手機電池在冬天為什麼那麼不耐用?

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四角尖尖草縛腰,浪蕩鍋中走一遭。這裡是工資早已花光身無分文的小編。小編整理瞭半天,給大傢帶來瞭這篇文章。準備好瓜子板凳,我們一起去瞧一瞧。

冬天到瞭,手機電量又開啟瞭它的玄學模式。

相信大傢或多或少都遇到以下情況。

為什麼我的小手機明明顯示還有20%的電量,隻不過拿出來準備掃個共享單車,然後它就顯示2%的電量,再然後就自動關機瞭,留下瞭在北風中凌亂外加瑟瑟發抖的我。

又為什麼我的小手機在戶外凍傻變成瞭磚,但一回到房間裡暖和一下,它竟能又能開機,電量竟然也恢復瞭。

或者又為什麼我的小手機在冬天的時候電量掉得賊快,要走哪都要帶著充電寶。

來源:giphy.com

然後你就可能會懷疑人生:我的手機電池是不是壞瞭,為啥就像小孩子的脾氣一樣讓人捉摸不透?

其實你的手機電池沒壞,它天生的就是這個脾氣,隻能順著它。

首先,你要知道,手機裡面的是鋰離子電池,對,就是今年得瞭諾貝爾化學獎的那個鋰離子電池。

鋰離子電池主要由正極(Cathode Electrode)、負極(Anode Electrode)、電解液(Electrolyte)、隔膜(Separator)、外殼(Case)組成。

圓柱形與軟包鋰離子電池的結構 |來源:futurecar.com

因為手機裡面的空間狹小,為瞭充分利用空間,手機上的鋰離子電池正極都是鈷酸鋰(壓實密度高,體積更小,少占地方),負極是石墨。

鋰離子電池的原理相信大傢都已經比較瞭解瞭,就是依靠鋰離子在正極與負極之間的遷移來存儲與釋放能量。鋰離子的遷移行為酷似搖椅,又被稱為“搖椅電池”。充電時,鋰離子從正極脫出,經過電解液再嵌入負極的石墨層中,與外電路過來的電子結合;而在放電時,鋰離子與電子的運動方向則與充電時相反。

上面這張圖隻是為瞭方便說明鋰離子電池的原理,才將鋰離子的運動畫的那麼簡單,實際上鋰離子電池的運動可比這復雜多瞭,看下面這張圖就知道瞭。

鋰離子電池示意圖 [1]

放電時,鋰離子從負極運動到正極,要先在石墨層中的擴散,通過石墨與電解液的界面,然後在電解液中遷移,通過電解液與鈷酸鋰的界面,最後在鈷酸鋰中擴散。這一步步的,真的可以說是跨過山和大海,鋰離子“搬一次傢”也真是不容易。

說瞭這麼多,到底為啥子冬天的時候鋰離子電池電量就掉的那麼快呢?

別急,讓我們先來看一張圖。這是鋰離子電池在不同溫度下放電曲線圖。

不同溫度下鋰離子電池的放電曲線 [2]

拿到一張圖,首先要看的自然是它的坐標軸瞭,橫坐標是容量Q(電量),縱坐標是電壓U,看到這,不禁想起一個公式:

W=QU(能量=電量×電壓)

利用一點點微積分的知識,可以知道,圖中曲線和坐標軸圍成的面積就是能量。這張圖告訴我們,鋰離子電池隨著溫度的降低,它所能釋放的能量是在減少的,不僅如此,它的容量在減少、電壓也變低瞭。

這就是為什麼鋰離子電池在冬天不耐用。好奇心爆棚的小可愛肯定不滿足於僅僅知道這個現象,更想知道裡面深層次的原因。

來源:giphy.com

前面已經說到瞭,鋰離子電池放電的時候,鋰離子從石墨遷移到正極,要跨過山和大海。當鋰離子電池的溫度降低的時候,鋰離子的遷移會更加地艱難。溫度降低的時候,鋰離子在石墨和鈷酸鋰中的擴散系數會減小,而電解液的粘度增大,鋰離子在活性物質和電解液中的遷移都受到瞭很大的阻礙。

這樣聽起來不太直觀,我們來看一下無添加電解液的成分就知道是怎麼回事瞭。電解液的溶劑是碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物。

碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate),熔點:34~37℃
碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate),熔點:2~4℃

看到這兩種物質的熔點瞭嗎?室溫下碳酸乙烯酯就凝固瞭,0℃下碳酸二甲酯成瞭固體。那麼當鋰離子電池處於低溫環境下,輕則電解液粘度增大,嚴重的甚至會部分凝固。鋰離子在凍成固態的電解液中遷移,想想就非常不容易。

在低溫下,鋰離子的遷移受阻,最顯著的影響就是電池的內阻會大大增加,鋰離子電池的端電壓(端電壓=開路電壓-電流×電池內阻)下降,當手機檢測到鋰離子電池處於低電壓的時候,以為電池快沒電瞭,就提醒你電量不足,甚至為瞭保護電池,會自動關機。實際上鋰離子電池明明是有那麼多電量的,可就是發揮不出來。

為瞭克服這個問題,科學傢也在努力,研發電解液添加劑和低溫電解液,讓鋰離子電池在低溫下也能正常使用。

那對於手機上的鋰離子電池,有辦法讓它在冬天的時候別掉電掉那麼快嗎?

辦法當然有,你別在寒冷的戶外用手機就行,找個暖和的地方,比如在暖氣房裡,保管你的小手機不耍小脾氣。話說,在暖氣房裡玩手機不好嘛?如果實在是要在寒冷的戶外用手機,那就抓緊用,用完之後趕緊揣兜裡。萬一手機被凍傻瞭,也別擔心,放到暖和的地方它就可以恢復過來,又能正常使用。

其實在冬天更應該註意的是別在低溫下給手機充電。前面說到,鋰離子在低溫下的遷移速率會降低,低溫下給鋰離子電池充電時,鋰離子嵌入到石墨層中的速率比較慢,就會有鋰離子來不及嵌入到石墨層中,而直接在石墨表面得到電子形成金屬鋰,這個過程叫做“析鋰”,析出的金屬鋰有一部分變得不具有活性,也就是不會參與以後的鋰離子遷移,成為瞭“死鋰”。

聰明的你肯定也想到瞭,充放電過程中參與遷移的鋰離子少瞭,那麼鋰離子電池的容量也就會減少,這種容量的衰減是不可逆的,就算你把電池拿回到溫暖的地方,它也沒法恢復。這時候隻有兩個解決辦法——換電池或者換手機(多瞭個換手機的理由)。

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