手机电池在冬天为什么不耐用?
2019-12-22 21:05

手机电池在冬天为什么不耐用?

本文来自微信公众号:中科院物理所(ID:cas-iop),作者:Frions,题图来自:pexels


4066.la_【官方首页】-澳门金沙娱乐场冬天到了,手机电量又开启了它的玄学模式。


相信大家或多或少都遇到以下情况。


为什么我的小手机明明显示还有20%的电量,只不过拿出来准备扫个共享单车,然后它就显示2%的电量,再然后就自动关机了,留下了在北风中凌乱外加瑟瑟发抖的我。


又为什么我的小手机在户外冻傻变成了砖,但一回到房间里暖和一下,它竟能又能开机,电量竟然也恢复了。


或者又为什么我的小手机在冬天的时候电量掉得贼快,要走哪都要带着充电宝。


然后你就可能会怀疑人生:我的手机电池是不是坏了,为啥就像小孩子的脾气一样让人捉摸不透?


其实你的手机电池没坏,它天生的就是这个脾气,只能顺着它。


首先,你要知道,手机里面的是锂离子电池,对,就是今年得了诺贝尔化学奖的那个锂离子电池。


锂离子电池主要由正极(Cathode Electrode)、负极(Anode Electrode)、电解液(Electrolyte)、隔膜(Separator)、外壳(Case)组成。


圆柱形与软包锂离子电池的结构 | 来源:futurecar.com


因为手机里面的空间狭小,为了充分利用空间,手机上的锂离子电池正极都是钴酸锂(压实密度高,体积更小,少占地方)4066.la_【官方首页】-澳门金沙娱乐场,负极是石墨。


锂离子电池的原理相信大家都已经比较了解了,就是依靠锂离子在正极与负极之间的迁移来存储与释放能量。4066.la_【官方首页】-澳门金沙娱乐场锂离子的迁移行为酷似摇椅,又被称为“摇椅电池”。充电时,锂离子从正极脱出,经过电解液再嵌入负极的石墨层中,与外电路过来的电子结合;而在放电时,锂离子与电子的运动方向则与充电时相反。



上面这张图只是为了方便说明锂离子电池的原理,才将锂离子的运动画的那么简单,实际上锂离子电池的运动可比这复杂多了,看下面这张图就知道了。


锂离子电池示意图 [1]


放电时,锂离子从负极运动到正极,要先在石墨层中的扩散,通过石墨与电解液的界面,然后在电解液中迁移,通过电解液与钴酸锂的界面,最后在钴酸锂中扩散。这一步步的,真的可以说是跨过山和大海,锂离子“搬一次家”也真是不容易。


说了这么多,到底为啥子冬天的时候锂离子电池电量就掉的那么快呢?


4066.la_【官方首页】-澳门金沙娱乐场别急,让我们先来看一张图。这是锂离子电池在不同温度下放电曲线图。


不同温度下锂离子电池的放电曲线 [2]


拿到一张图,首先要看的自然是它的坐标轴了,横坐标是容量Q(电量),纵坐标是电压U,看到这,不禁想起一个公式:


W=QU(能量=电量×电压)


4066.la_【官方首页】-澳门金沙娱乐场利用一点点微积分的知识,可以知道,图中曲线和坐标轴围成的面积就是能量。这张图告诉我们,锂离子电池随着温度的降低,它所能释放的能量是在减少的,不仅如此,它的容量在减少、电压也变低了。


这就是为什么锂离子电池在冬天不耐用。好奇心爆棚的小可爱肯定不满足于仅仅知道这个现象,更想知道里面深层次的原因。


前面已经说到了,锂离子电池放电的时候,锂离子从石墨迁移到正极,要跨过山和大海。当锂离子电池的温度降低的时候,锂离子的迁移会更加地艰难。温度降低的时候,锂离子在石墨和钴酸锂中的扩散系数会减小,而电解液的粘度增大,锂离子在活性物质和电解液中的迁移都受到了很大的阻碍。


这样听起来不太直观,我们来看一下无添加电解液的成分就知道是怎么回事了。电解液的溶剂是碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物。


碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate),熔点:34~37℃


碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate),熔点:2~4℃


看到这两种物质的熔点了吗?室温下碳酸乙烯酯就凝固了,0℃下碳酸二甲酯成了固体。4066.la_【官方首页】-澳门金沙娱乐场那么当锂离子电池处于低温环境下,轻则电解液粘度增大,严重的甚至会部分凝固。锂离子在冻成固态的电解液中迁移,想想就非常不容易。


在低温下,锂离子的迁移受阻,最显著的影响就是电池的内阻会大大增加,锂离子电池的端电压(端电压=开路电压-电流×电池内阻)下降,当手机检测到锂离子电池处于低电压的时候,以为电池快没电了,就提醒你电量不足,甚至为了保护电池,会自动关机。实际上锂离子电池明明是有那么多电量的,可就是发挥不出来。



为了克服这个问题,科学家也在努力,研发电解液添加剂和低温电解液,让锂离子电池在低温下也能正常使用。


那对于手机上的锂离子电池,有办法让它在冬天的时候别掉电掉那么快吗?


办法当然有,你别在寒冷的户外用手机就行,找个暖和的地方,比如在暖气房里,保管你的小手机不耍小脾气。话说,在暖气房里玩手机不好嘛?如果实在是要在寒冷的户外用手机,那就抓紧用,用完之后赶紧揣兜里。万一手机被冻傻了,也别担心,放到暖和的地方它就可以恢复过来,又能正常使用。


其实在冬天更应该注意的是别在低温下给手机充电。前面说到,锂离子在低温下的迁移速率会降低,低温下给锂离子电池充电时,锂离子嵌入到石墨层中的速率比较慢,就会有锂离子来不及嵌入到石墨层中,而直接在石墨表面得到电子形成金属锂,这个过程叫做“析锂”,析出的金属锂有一部分变得不具有活性,也就是不会参与以后的锂离子迁移,成为了“死锂”。


聪明的你肯定也想到了,充放电过程中参与迁移的锂离子少了,那么锂离子电池的容量也就会减少,这种容量的衰减是不可逆的,就算你把电池拿回到温暖的地方,它也没法恢复。这时候只有两个解决办法——换电池或者换手机(多了个换手机的理由)


来源:giphy.com


参考资料:

[1] XU K. Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries [J]. Chem Rev, 2004, 104(10): 4303-417.

[2] Li-ion Battery and Gauge Introduction


本文来自微信公众号:中科院物理所(ID:cas-iop),作者:Frions

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