手機(jī)也“怕冷”
———為什么冬天手機(jī)電池掉電快

劉 銘

在冬季寒冷的室外,想必大家都有體會(huì),因?yàn)閮鍪忠呀?jīng)很少玩手機(jī)了,而且每次在室外拿出手機(jī)時(shí),手機(jī)電池的電量就像坐滑梯似的,嗖嗖往下掉,尤其是身處冰場(chǎng)、滑雪場(chǎng)等更冷的地方時(shí),說不定手機(jī)一拿出來就自動(dòng)關(guān)機(jī)了．然而神奇的是,手機(jī)在戶外凍得沒反應(yīng),一回到溫暖的室內(nèi),它竟然又能開機(jī)了,電量也恢復(fù)了正常．手機(jī)在嚴(yán)寒下竟如此不堪一擊,難道是手機(jī)電池“著涼”了？它也怕冷嗎?

接下來就讓我們認(rèn)識(shí)一下這個(gè)“怕冷”的手機(jī)電池吧．

目前手機(jī)電池多為鋰離子電池,因?yàn)殇囯x子電池具有很多優(yōu)勢(shì),如無污染、沒有記憶效應(yīng)等,便于手機(jī)隨時(shí)充電．鋰離子電池給人們生活帶來了巨大的便利,也因此2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了對(duì)鋰離子電池發(fā)展作出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家．

圖1 鋰離子電池的組成

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜、外殼組成,如圖1所示．

因?yàn)槭謾C(jī)空間有限,為了充分利用空間,手機(jī)上的鋰離子電池正極是由壓實(shí)密度高、體積更小的鈷酸鋰制成,負(fù)極是由石墨制成．

鋰離子電池是根據(jù)鋰離子在正極與負(fù)極之間的定向的往復(fù)移動(dòng),來存儲(chǔ)與釋放能量的．鋰離子的遷移與搖椅相似,一來一去,所以又被稱為“搖椅電池”(圖2是充電示意圖,圖3是放電示意圖)．

圖2 充電示意圖 圖3 放電示意圖

充電時(shí),鋰離子從正極運(yùn)動(dòng)到負(fù)極,要先在鈷酸鋰中擴(kuò)散,通過鈷酸鋰與電解液的界面,然后在電解液中遷移,通過電解液與石墨的界面,最后在石墨中擴(kuò)散.可見鋰離子這個(gè)大部隊(duì)“搬一次家”也真是不容易,要跨越重重阻礙.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 (圖4 是鋰離子電池示意圖)．

圖4 鋰離子電池示意圖

再優(yōu)秀的事物也有弱點(diǎn),鋰離子電池也不例外,它的弱點(diǎn)就是受溫度影響比較大．圖5展示了鋰電池在不同溫度下的放電情況．

圖5 鋰電池在不同溫度下的放電情況

圖5中橫坐標(biāo)表示電容量(是指給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量),縱坐標(biāo)是電壓,電容器所帶電荷量Q與電容器兩極間的電壓U之間的關(guān)系滿足W=QU(能量等于電荷量乘以電壓).結(jié)合圖象可以發(fā)現(xiàn),圖中曲線和坐標(biāo)軸圍成的面積就是電能,而隨著溫度的降低,鋰離子電池所能釋放的能量也在減少,不僅如此,它的電容量在減少,電壓也隨之變低了,所以低溫時(shí)使用會(huì)覺得耗電較快．

溫度對(duì)鋰電池里的物質(zhì)到底會(huì)造成怎樣的影響呢?前面已經(jīng)知道,當(dāng)鋰離子電池放電的時(shí)候,鋰離子從負(fù)極石墨“搬到”正極鈷酸鋰中,要跨越中間的“障礙物”電解液,而電解液的主要成分是碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物,熔點(diǎn)分別為34～37℃、2～4℃.也就是說在室溫下,EC已經(jīng)凝固了,0℃下DMC也凝固了,不僅如此,低溫還會(huì)減小鋰離子在石墨和鈷酸鋰中的擴(kuò)散系數(shù).可想而知,鋰離子在變得黏稠,甚至是凍成固態(tài)的電解液中遷移,必然使原本就不容易的“搬家”活動(dòng)變得更加困難．

在低溫下,電池的內(nèi)阻增加,鋰離子電池的端電壓(端電壓等于開路電流乘以電池內(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,以為電池快沒電了,就提醒你電量不足.為防止低溫下電池受損,智能手機(jī)設(shè)定了低溫保護(hù)機(jī)制,當(dāng)?shù)陀谝欢囟葧r(shí),會(huì)強(qiáng)行關(guān)閉電源,當(dāng)回到常溫后自動(dòng)解除保護(hù)．

目前,鋰離子電池的最佳工作溫度是16～25℃,通常所說的電池的容量也是指電池在理想溫度下測(cè)得的最佳數(shù)據(jù).為了彌補(bǔ)低溫對(duì)鋰離子電池帶來的“傷害”,科學(xué)家也在努力研發(fā)電解液添加劑和低溫電解液,以便鋰離子電池在低溫下能正常工作.圖6是鋰離子電池工作溫度和理想工作溫度區(qū)間．

圖6 鋰離子電池工作溫度、理想工作溫度區(qū)間

可能有人會(huì)想,天冷手機(jī)沒電了不要緊啊,不是有充電寶嗎,隨時(shí)充電不就行了．注意，千萬不要在低溫下給手機(jī)充電!因?yàn)殇囯x子在低溫下遷移速率會(huì)降低,低溫下充電時(shí),鋰離子嵌入石墨層中的速率變慢,就會(huì)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(gè)過程叫作“析鋰”.析出的金屬鋰有一部分會(huì)失去活性,不會(huì)繼續(xù)參與以后的鋰離子遷移．在充放電過程中參與遷移的鋰離子少了,鋰離子電池的容量也就降低了,這種容量的衰減是不可逆的,會(huì)直接造成電池的損傷．

那么身處低溫環(huán)境中,做點(diǎn)什么才能有效預(yù)防手機(jī)瘋狂掉電帶來的困擾呢?那就是給自己保暖的同時(shí),記得給手機(jī)保暖, 別讓它“著涼”．我們可以把手機(jī)放置在大衣內(nèi)側(cè)的口袋里,用體溫給予它溫暖，同時(shí)盡量不在室外玩手機(jī),用耳機(jī)通話等;如果不幸手機(jī)還是自動(dòng)關(guān)機(jī)了,也不要強(qiáng)行開機(jī),找個(gè)溫暖的地方,讓它暖和一下自然就好了．

當(dāng)然，不僅手機(jī)遇到寒冷環(huán)境時(shí)具有保護(hù)意識(shí),其他用鋰離子電池工作的用電器也對(duì)溫度十分敏感,比如照相機(jī)、攝像機(jī)、筆記本電腦等,所以我們要深入了解鋰電池的“脾氣秉性”,才能在日后更好地與之“相處”．