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    发表时间/2022-09-16
  • 为什么手机电池的电量在冬天就不耐用

      首先你得明白手机里有锂离子电池。没错,就是今年获得诺贝尔化学奖的锂离子电池。

      锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜和外壳组成。

      因为手机内部空间狭小,为了充分利用空间,手机上的锂离子电池正极是钴酸锂(密度高,体积更小,占用空间更少),负极是石墨。

      锂离子电池的原理相信大家都很了解,就是依靠锂离子在正极和负极之间的迁移来储存和释放能量。锂离子的迁移行为类似摇椅,也叫摇椅电池。充电时,锂离子从正极分离出来,通过电解液嵌入负极的石墨层,与来自外电路的电子结合;放电时,锂离子和电子的运动方向与充电时相反。

      放电时,锂离子从负极向正极移动,先在石墨层中扩散,穿过石墨与电解液的界面,然后在电解液中迁移,穿过电解液与锂钴氧化物的界面,最后在锂钴氧化物中扩散。这一步一步,真的可以说是跨越了山海,锂离子搬一次家真的很不容易。

      稍微有点微积分知识就知道,图中曲线和坐标轴围成的面积就是能量。这张图告诉我们,随着温度的降低,锂离子电池释放的能量在减少,不仅如此,它的容量和电压也在下降。

      这就是锂离子电池冬天不耐用的原因。好奇的小可爱肯定不满足于只知道这种现象,还想知道深层次的原因。

      如前所述,当锂离子电池放电时,锂离子从石墨迁移到正极,跨越山海。当锂离子电池温度降低时,锂离子的迁移会更加困难。当温度降低时,锂离子在石墨和钴酸锂中的扩散系数会降低,而电解液的粘度会增加,锂离子在活性物质和电解液中的迁移会受到很大阻碍。

      这听起来不太直观。我们来看看没有添加电解质的成分,就明白是怎么回事了。电解质溶剂是碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物。

      碳酸乙烯酯,熔点:34~37

      碳酸二甲酯,熔点:2~4

      看到这两种物质的熔点了吗?碳酸乙烯酯在室温下固化,碳酸二甲酯在0时变成固体。那么锂离子电池在低温环境下,电解液的粘度会在光照下增加,严重时甚至会部分凝固。想一想锂离子在冻结成固态的电解质中的迁移并不容易。低温下锂离子迁移受阻,最显著的影响是电池内阻会大大增加,锂离子电池端电压(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低电压时,会提醒你电池电量不足,甚至自动关机保护电池。其实锂离子电池明明功率那么大,就是不行。

      为了克服这个问题,科学家们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使用。

      至于手机上的锂离子电池,冬天有什么办法让它不那么快就没电了?

      当然,你能做到。只是不要在寒冷的户外使用手机。找一个温暖的地方,比如暖气房,把小手机放在安全的地方。对了,在暖气房玩手机不好吗?如果大冷天真的要在户外用手机,那就快点用,用完后放在口袋里。手机冻傻了也不用担心。把它放在温暖的地方,它会恢复正常工作。


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