手機電池在冬天為什麼那麼不耐用_風聞

原創：中科院物理所

冬天到了，手機電量又開啓了它的玄學模式。

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，然後它就顯示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户外凍傻變成了磚，但一回到房間裏暖和一下，它竟能又能開機，電量竟然也恢復了。

或者又為什麼我的小手機在冬天的時候電量掉得賊快，要走哪都要帶着充電寶。

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然後你就可能會懷疑人生：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，它天生的就是這個脾氣，只能順着它。

首先，你要知道，手機裏面的是鋰離子電池，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（Sperator）、外殼（Case）組成。

圓柱形與軟包鋰離子電池的結構 | 來源：futurecar.com

因為手機裏面的空間狹小，為了充分利用空間，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，鋰離子從正極脱出，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。

上面這張圖只是為了方便説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。

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，真的可以説是跨過山和大海，鋰離子“搬一次家”也真是不容易。

説了這麼多，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温度下放電曲線圖。

不同温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座標軸了，橫座標是容量Q（電量），縱座標是電壓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，鋰離子電池隨着温度的降低，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，更想知道里面深層次的原因。

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前面已經説到了，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。當鋰離子電池的温度降低的時候，鋰離子的遷移會更加地艱難。温度降低的時候，鋰離子在石墨和鈷酸鋰中的擴散係數會減小，而電解液的粘度增大，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。

碳酸乙烯酯（Ethylene Carbonate），熔點：34~37℃

碳酸二甲酯（Ethylene Carbonate），熔點：2~4℃

看到這兩種物質的熔點了嗎？室温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温環境下，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。

在低温下，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。

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温電解液，讓鋰離子電池在低温下也能正常使用。

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，你別在寒冷的户外用手機就行，找個暖和的地方，比如在暖氣房裏，保管你的小手機不耍小脾氣。話説，在暖氣房裏玩手機不好嘛？如果實在是要在寒冷的户外用手機，那就抓緊用，用完之後趕緊揣兜裏。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温下給手機充電。前面説到，鋰離子在低温下的遷移速率會降低，低温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温暖的地方，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）。

來源：giphy.com

參考資料

[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