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(wei) 什麽(me) 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(ge) 共享單車，然後它就顯示2%的電量，再然後就自動關(guan) 機了，留下了在北風中淩亂(luan) 外加瑟瑟發抖的我。
 

　　又為(wei) 什麽(me) 我的小手機在戶外凍傻變成了磚，但一回到房間裏暖和一下，它竟能又能開機，電量竟然也恢複了。
 

　　或者又為(wei) 什麽(me) 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。



 

          圓柱形與(yu) 軟包鋰離子電池的結構 | 來源：futurecar.com
 

　　因為(wei) 手機裏麵的空間狹小，為(wei) 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(ti) 積更小，少占地方），負極是石墨。
 

　　鋰離子電池的原理相信大家都已經比較了解了，就是依靠鋰離子在正極與(yu) 負極之間的遷移來存儲(chu) 與(yu) 釋放能量。鋰離子的遷移行為(wei) 酷似搖椅，又被稱為(wei) “搖椅電池”。充電時，鋰離子從(cong) 正極脫出，經過電解液再嵌入負極的石墨層中，與(yu) 外電路過來的電子結合；而在放電時，鋰離子與(yu) 電子的運動方向則與(yu) 充電時相反。



上麵這張圖隻是為(wei) 了方便說明鋰離子電池的原理，才將鋰離子的運動畫的那麽(me) 簡單，實際上鋰離子電池的運動可比這複雜多了，看下麵這張圖就知道了。



 

放電時，鋰離子從(cong) 負極運動到正極，要先在石墨層中的擴散，通過石墨與(yu) 電解液的界麵，然後在電解液中遷移，通過電解液與(yu) 鈷酸鋰的界麵，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。
 

　　說了這麽(me) 多，到底為(wei) 啥子冬天的時候鋰離子電池電量就掉的那麽(me) 快呢？
 

　　別急，讓我們(men) 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了，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(ge) 公式：
 

　　W=QU（能量=電量×電壓）
 

　　利用一點點微積分的星空体育官网入口网站，可以知道，圖中曲線和坐標軸圍成的麵積就是能量。這張圖告訴我們(men) ，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(jin) 如此，它的容量在減少、電壓也變低了。

　　這就是為(wei) 什麽(me) 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(yu) 僅(jin) 僅(jin) 知道這個(ge) 現象，更想知道裏麵深層次的原因。



 

　　                                 來源：giphy.com
 

　　前麵已經說到了，鋰離子電池放電的時候，鋰離子從(cong) 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(hui) 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(hui) 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(men) 來看一下無添加電解液的成分就知道是怎麽(me) 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（DimethylCarbonate），熔點：2~4℃
 

　　看到這兩(liang) 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(ti) 。那麽(me) 當鋰離子電池處於(yu) 低溫環境下，輕則電解液粘度增大，嚴(yan) 重的甚至會(hui) 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(nei) 阻會(hui) 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(nei) 阻）下降，當手機檢測到鋰離子電池處於(yu) 低電壓的時候，以為(wei) 電池快沒電了，就提醒你電量不足，甚至為(wei) 了保護電池，會(hui) 自動關(guan) 機。實際上鋰離子電池明明是有那麽(me) 多電量的，可就是發揮不出來。



 

為(wei) 了克服這個(ge) 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(yu) 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麽(me) 快嗎？
 

　　辦法當然有，你別在寒冷的戶外用手機就行，找個(ge) 暖和的地方，比如在暖氣房裏，保管你的小手機不耍小脾氣。話說，在暖氣房裏玩手機不好嘛？如果實在是要在寒冷的戶外用手機，那就抓緊用，用完之後趕緊揣兜裏。萬(wan) 一手機被凍傻了，也別擔心，放到暖和的地方它就可以恢複過來，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。前麵說到，鋰離子在低溫下的遷移速率會(hui) 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(hui) 有鋰離子來不及嵌入到石墨層中，而直接在石墨表麵得到電子形成金屬鋰，這個(ge) 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(hui) 參與(yu) 以後的鋰離子遷移，成為(wei) 了“死鋰”。
 

　　聰明的你肯定也想到了，充放電過程中參與(yu) 遷移的鋰離子少了，那麽(me) 鋰離子電池的容量也就會(hui) 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，它也沒法恢複。這時候隻有兩(liang) 個(ge) 解決(jue) 辦法——換電池或者換手機（多了個(ge) 換手機的理由）。