冬天到了，手機(jī)電量又開(kāi)啟了它的玄學(xué)模式。
相信大家或多或少都遇到以下情況。
為什么我的小手機(jī)明明顯示還有20%的電量，只不過(guò)拿出來(lái)準(zhǔn)備掃個(gè)共享單車，然后它就顯示2%的電量，再然后就自動(dòng)關(guān)機(jī)了，留下了在北風(fēng)中凌亂外加瑟瑟發(fā)抖的我。
又為什么我的小手機(jī)在戶外凍傻變成了磚，但一回到房間里暖和一下，它竟能又能開(kāi)機(jī)，電量竟然也恢復(fù)了。
或者又為什么我的小手機(jī)在冬天的時(shí)候電量掉得賊快，要走哪都要帶著充電寶。
然后你就可能會(huì)懷疑人生：我的手機(jī)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(shí)你的手機(jī)電池沒(méi)壞，它天生就是這個(gè)脾氣，只能順著它。
首先，你要知道，手機(jī)里面是鋰離子電池，對(duì)，就是今年得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的那個(gè)鋰離子電池。
鋰離子電池主要由正極（Cathode Electrode）、負(fù)極（Anode Electrode）、電解液（Electrolyte）、隔膜（Separator）、外殼（Case）組成。
因?yàn)槭謾C(jī)里面的空間狹小，為了充分利用空間，手機(jī)上的鋰離子電池正極都是鈷酸鋰（壓實(shí)密度高，體積更小，少占地方），負(fù)極是石墨。
鋰離子電池的原理相信大家都已經(jīng)比較了解了，就是依靠鋰離子在正極與負(fù)極之間的遷移來(lái)存儲(chǔ)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(shí)，鋰離子從正極脫出，經(jīng)過(guò)電解液再嵌入負(fù)極的石墨層中，與外電路過(guò)來(lái)的電子結(jié)合；而在放電時(shí)，鋰離子與電子的運(yùn)動(dòng)方向則與充電時(shí)相反。
放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極運(yùn)動(dòng)到正極，要先在石墨層中擴(kuò)散，通過(guò)石墨與電解液的界面，然后在電解液中遷移，通過(guò)電解液與鈷酸鋰的界面，最后在鈷酸鋰中擴(kuò)散。這一步步的，真的可以說(shuō)是跨過(guò)山和大海，鋰離子“搬一次家”也真是不容易。
說(shuō)了這么多，到底為啥子冬天的時(shí)候鋰離子電池電量就掉的那么快呢？
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。
這就是為什么鋰離子電池在冬天不耐用。好奇心爆棚的小可愛(ài)肯定不滿足于僅僅知道這個(gè)現(xiàn)象，更想知道里面深層次的原因。
前面已經(jīng)說(shuō)到了，鋰離子電池放電的時(shí)候，鋰離子從石墨遷移到正極，要跨過(guò)山和大海。當(dāng)鋰離子電池的溫度降低的時(shí)候，鋰離子的遷移會(huì)更加地艱難。溫度降低的時(shí)候，鋰離子在石墨和鈷酸鋰中的擴(kuò)散系數(shù)會(huì)減小，而電解液的粘度增大，鋰離子在活性物質(zhì)和電解液中的遷移都受到了很大的阻礙。
這樣聽(tīng)起來(lái)不太直觀，我們來(lái)看一下無(wú)添加電解液的成分就知道是怎么回事了。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(diǎn)：34~37℃
碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate），熔點(diǎn)：2~4℃
看到這兩種物質(zhì)的熔點(diǎn)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。那么當(dāng)鋰離子電池處于低溫環(huán)境下，輕則電解液粘度增大，嚴(yán)重的甚至?xí)糠帜?。鋰離子在凍成固態(tài)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(nèi)阻會(huì)大大增加，鋰離子電池的端電壓（端電壓=開(kāi)路電壓-電流×電池內(nèi)阻）下降，當(dāng)手機(jī)檢測(cè)到鋰離子電池處于低電壓的時(shí)候，以為電池快沒(méi)電了，就提醒你電量不足，甚至為了保護(hù)電池，會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。實(shí)際上鋰離子電池明明是有那么多電量的，可就是發(fā)揮不出來(lái)。
為了克服這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家也在努力，研發(fā)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(duì)于手機(jī)上的鋰離子電池，有辦法讓它在冬天的時(shí)候別掉電掉那么快嗎？
辦法當(dāng)然有，你別在寒冷的戶外用手機(jī)就行，找個(gè)暖和的地方，比如在暖氣房里，保管你的小手機(jī)不耍小脾氣。話說(shuō)，在暖氣房里玩手機(jī)不好嘛？如果實(shí)在是要在寒冷的戶外用手機(jī)，那就抓緊用，用完之后趕緊揣兜里。萬(wàn)一手機(jī)被凍傻了，也別擔(dān)心，放到暖和的地方它就可以恢復(fù)過(guò)來(lái)，又能正常使用。
其實(shí)在冬天更應(yīng)該注意的是別在低溫下給手機(jī)充電。前面說(shuō)到，鋰離子在低溫下的遷移速率會(huì)降低，低溫下給鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子嵌入到石墨層中的速率比較慢，就會(huì)有鋰離子來(lái)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(gè)過(guò)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(huì)參與以后的鋰離子遷移，成為了“死鋰”。
聰明的你肯定也想到了，充放電過(guò)程中參與遷移的鋰離子少了，那么鋰離子電池的容量也就會(huì)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(méi)法恢復(fù)。這時(shí)候只有兩個(gè)解決辦法——換電池或者換手機(jī)（多了個(gè)換手機(jī)的理由）。
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
責(zé)任編輯:李斌
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