冬天到了,手機電量又開啟了它的玄學模式。相信大家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,只不過拿出來準備掃個共享單車,馬上變成顯示只剩2%的電量,再然後就自動關機了,留下了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了磚,但一回到房間裡暖和一下,它竟然就能開機,電量也恢復了。

或者又為什麼我的小手機在冬天的時候電量掉得賊快,要走哪都要帶著行動電源。

然後你就可能會開始懷疑人生:我的手機電池是不是壞了,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,它天生就是這個脾氣,只能順著它。首先,你要知道,手機裡面的是鋰離子電池,對,就是今年得了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。

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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,為了充份利用空間,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、少佔地方),負極是石墨。

鋰離子電池的原理相信大家都已經比較瞭解了,就是依靠鋰離子在正極與負極之間的遷移來儲存與釋放能量。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。

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上面這張圖只是為了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複雜多了,看下面這張圖就知道了。

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鋰離子電池示意圖。

放電時,鋰離子從負極運動到正極,要先在石墨層中擴散,透過石墨與電解液的介面,然後在電解液中遷移,透過電解液與鈷酸鋰的介面,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「搬一次家」也真是不容易。

說了這麼多,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。

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不同溫度下鋰離子電池的放電曲線。

拿到一張圖,首先要看的自然是它的座標軸了,橫座標是容量Q (電量),縱座標是電壓U,看到這裡,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,圖中曲線和座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、電壓也變低了。

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。

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(來源:giphy.com)

前面已經說到了,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係數會減小,而電解液的黏度增大,鋰離子在活性物質和電解液中的遷移都受到了很大的阻礙。

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了。電解液的溶劑是碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物。

20191225_battery_NT71P6 碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate),熔點:34~37℃ 20191225_battery_NT71P7 碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate),熔點:2~4℃

看到這兩種物質的熔點了嗎?室溫下碳酸乙烯酯就凝固了,0℃下碳酸二甲酯成了固體。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,以為電池快沒電了,就提醒你電量不足,甚至為了保護電池,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。

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為了克服這個問題,科學家也在努力,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嗎?如果你一定要在寒冷的戶外使用手機,那就抓緊用唄,用完之後趕緊揣兜裡。萬一手機被凍傻了,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。

其實在冬天更應該注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,成為了「死鋰」。

聰明的你肯定也想到了,充放電過程中參與遷移的鋰離子少了,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。這時候只有兩個解決辦法——換電池或者換手機(多了個換手機的理由)。

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(來源:giphy.com)

(本文原刊於EDN China,編譯:Demi Xia)