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手机电池在冬天为什么那么不耐用?中科院的答

滥觞:中科院物理钻研所

信托大年夜家或多或少都碰到以下环境。

为什么我的小手机显明著示还有20%的电量,只不过拿出来筹备扫个共享单车,然后它就显示2%的电量,再然后就自动关机了,留下了在北风中杂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,电量竟然也规复了。

或者又为什么我的小手机在冬天的时刻电量掉落得贼快,要走哪都要带着充电宝。

然后你就可能会狐疑人生:我的手机电池是不是坏了,为啥就像小孩子的性格一样让人捉摸不透?

着实你的手机电池没坏,它生成的便是这个性格,只能顺着它。

首先,你要知道,手机里面的是锂离子电池,对,便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(Sperator)、外壳(Case)组成。

由于手机里面的空间狭小,为了充分使用空间,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),负极是石墨。

锂离子电池的道理信托大年夜家都已经对照懂得了,便是寄托锂离子在正极与负极之间的迁移来存储与开释能量。锂离子的迁移行径酷似摇椅,又被称为“摇椅电池”。充电时,锂离子从正极脱出,颠末电解液再嵌入负极的石墨层中,与外电途经来的电子结合;而在放电时,锂离子与电子的运动偏向则与充电时相反。

上面这张图只是为了方便阐明锂离子电池的道理,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繁杂多了,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,经由过程石墨与电解液的界面,然后在电解液中迁移,经由过程电解液与钴酸锂的界面,着末在钴酸锂中扩散。这一步步的,真的可以说是跨过山和大年夜海,锂离子“搬一次家”也真是不轻易。

说了这么多,到底为啥子冬天的时刻锂离子电池电量就掉落的那么快呢?

别急,让我们先来看一张图。这是锂离子电池在不合温度下放电曲线图。

不合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)

使用一点点微积分的常识,可以知道,图中曲线和坐标轴围成的面积便是能量。这张图奉告我们,锂离子电池跟着温度的低落,它所能开释的能量是在削减的,不仅如斯,它的容量在削减、电压也变低了。

这便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意于仅仅知道这个征象,更想知道里面深层次的缘故原由。

前面已经说到了,锂离子电池放电的时刻,锂离子从石墨迁移到正极,要跨过山和大年夜海。当锂离子电池的温度低落的时刻,锂离子的迁移会加倍地艰巨。温度低落的时刻,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年夜,锂离子在活性物质和电解液中的迁移都受到了很大年夜的阻碍。

这样听起来不太直不雅,我们来看一下无添加电解液的因素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)的混杂物。

碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate),熔点:34~37℃

碳酸二甲酯(Ethylene 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。那么当锂离子电池处于低温情况下,轻则电解液粘度增大年夜,严重的以致会部分凝固。锂离子在冻成固态的电解液中迁移,想想就异常不轻易。

在低温下,锂离子的迁移受阻,最显明的影响便是电池的内阻会大年夜大年夜增添,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刻,以为电池快没电了,就提醒你电量不够,以致为了保护电池,会自动关机。实际上锂离子电池明明是有那么多电量的,可便是发挥不出来。

为了降服这个问题,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应用。

那对付手机上的锂离子电池,有法子让它在冬天的时刻别掉落电掉落那么快吗?

法子当然有,你别在严寒的户外用手机就行,找个暖和的地方,比如在暖气房里,保管你的小手机不耍小性格。话说,在暖气房里玩手机不好嘛?假如其实是要在严寒的户外用手机,那就抓紧用,用完之后赶快揣兜里。万一手机被冻傻了,也别担心,放到暖和的地方它就可以规复过来,又能正常应用。

其其实冬天更应该留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度会低落,低温下给锂离子电池充电时,锂离子嵌入到石墨层中的速度对照慢,就会有锂离子来不及嵌入到石墨层中,而直接在石墨外面获得电子形成金属锂,这个历程叫做“析锂”,析出的金属锂有一部分变得不具有活性,也便是不会介入今后的锂离子迁移,成为了“逝世锂”。

智慧的你肯定也想到了,充放电历程中介入迁移的锂离子少了,那么锂离子电池的容量也就会削减,这种容量的衰减是弗成逆的,就算你把电池拿回到温暖的地方,它也没法规复。这时刻只有两个办理法子——换电池或者换手机(多了个换手机的来由)。

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