鋰電池天冷失活原理分析

　　現(xiàn)在的電子產(chǎn)品在大面積應(yīng)用鋰電池之后，是越來越嬌貴了，尤其是處在低溫區(qū)的小伙伴們，一到寒冬時(shí)節(jié)，手機(jī)就容易出現(xiàn)各種各樣的問題，比如低溫自動(dòng)關(guān)機(jī)、充不進(jìn)電、突然跳電等問題。

　　尤其是 iPhone，一到天冷就自動(dòng)關(guān)機(jī)這件事眾所周知，在知乎上就有這么個(gè)問題「iPhone 有什么讓你放棄的理由?」，最高贊的答案就是一位警察叔叔的血淚控訴。

　　有一次到山東抓捕，用 iphone 6，在樓下冒著刀子一樣的冷風(fēng)幾個(gè)小時(shí)蹲守，終于等到了嫌疑人，掏出手機(jī)給隊(duì)長發(fā)信息，明明 5 分鐘前還有 40% 的電量，結(jié)果就在我要發(fā)信息的時(shí)候手機(jī)關(guān)機(jī)了，無論如何都啟動(dòng)不了。我跟在嫌疑人的后面，盡量隱蔽跟蹤，不停的試圖啟動(dòng)手機(jī)，直到出了小區(qū)，到了下一個(gè)卡口站點(diǎn)，也沒啟動(dòng)起來，幸虧抓捕方案做了雙保險(xiǎn)，嫌疑人被卡口同事發(fā)現(xiàn)并實(shí)施抓捕。

　　我的辛苦工作被一部蘋果手機(jī)全部報(bào)廢，要犯險(xiǎn)些逃跑，險(xiǎn)些造成重大惡劣后果。當(dāng)時(shí)我就下決心必須修理好電池自動(dòng)關(guān)機(jī)問題。我回天津找到了蘋果專賣店保修，他們檢測(cè)以后說沒有問題，不予更換電池，也沒法修理。

　　從此刻起，我發(fā)誓，絕對(duì)不碰蘋果手機(jī)，不論這個(gè)電池問題是否解決。因?yàn)樵谔O果費(fèi)盡心機(jī)粉飾的光鮮形象之下，從生產(chǎn)到售后，都客觀存在嚴(yán)重問題，而他們的官僚作風(fēng)，不是發(fā)售個(gè)新產(chǎn)品就能解決的，而出現(xiàn)嚴(yán)重問題后，消費(fèi)者的使用場景越重大，蘋果的錯(cuò)誤帶來的后果越嚴(yán)重，而他們蘋果公司既不會(huì)承認(rèn)問題，也不會(huì)解決問題，連基本的態(tài)度都沒有。這樣的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品玩兒玩兒還行，不堪大用。

　　無獨(dú)有偶，EDN小編發(fā)現(xiàn)點(diǎn)贊排名靠前的大部分都在吐槽 不“抗凍”。

　　當(dāng)然 iPhone 的問題比較極端，主要還是因?yàn)殡姵乇Ｗo(hù)程序的設(shè)定問題，在低于某個(gè)溫度的時(shí)候就會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，如果你仔細(xì)看下 iPhone 長長的說明書，里面就會(huì)有請(qǐng)?jiān)跍囟冉橛?0oC 至 35oC之間的環(huán)境中使用 iOS 設(shè)備的建議，自動(dòng)關(guān)機(jī)問題最后也導(dǎo)致去年「降速門」的爆發(fā)，最后逼得蘋果也不得不用低價(jià)更換電池的措施來挽回用戶。

　　其實(shí)在低溫的情況下，不管是 iPhone 還是安卓手機(jī)都是會(huì)出現(xiàn)問題，只不過 iPhone 的電池容量相對(duì)比較小所以會(huì)進(jìn)行自動(dòng)關(guān)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，而安卓普遍采用了大容量電池，但是一樣會(huì)出現(xiàn)瘋狂跳電的現(xiàn)象，也有部分電池容量小的手機(jī)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

　　最近中國信息通信研究院對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)人員準(zhǔn)備了兩塊 3400mAh 的電池，將其充滿電，然后將一塊放在 23 攝氏度的環(huán)境中，另一塊放在零下 10 攝氏度的環(huán)境中，以相同的速度進(jìn)行放電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)常溫下電池放電的時(shí)間為 5 小時(shí) 9 分鐘，放電量為 3420mAh，而在零下 10 攝氏度的環(huán)境中，電池 4 小時(shí) 5 分鐘時(shí)就耗電完畢，放電量也只有 2716 mAh。

　　原因就是在于低溫會(huì)降低鋰電池的化學(xué)反應(yīng)速率，從而導(dǎo)致可容電量變小的情況。那么為什么不加大電池容量去讓手機(jī)在冬天能夠更經(jīng)用呢?

　　這里就要牽扯到一個(gè)能量密度的概念，能量密度，指的是單位體積或單位重量的電池，能夠存儲(chǔ)和釋放的電量，其單位有兩種：Wh/kg，Wh/L，分別代表重量比能量和體積比能量。我們可以用一個(gè)等式來更加具象化能量密度這個(gè)概念：電池容量 x 電池電壓 = 電池能量密度 x 電池體積。

　　而鋰電池的發(fā)展在經(jīng)歷一個(gè)快速期后，近些年進(jìn)入一個(gè)瓶頸期。像三星每年平均也只能提高 6.5% 的能量密度，其實(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的摩爾定律的 。而且對(duì)于手機(jī)而言，本質(zhì)上是一個(gè)非常理想的爆炸體，爆炸的主要原因正是因?yàn)槟芰烤奂谝粋€(gè)密閉的空間內(nèi)擴(kuò)散不出去，而現(xiàn)在的手機(jī)為了防水性也是做得越來越密閉，越高的能量密度就可能帶來越高的爆炸威力，這種風(fēng)險(xiǎn)其實(shí)是很大的，當(dāng)年三星的 note7 其實(shí)就是一個(gè)非常慘痛的教訓(xùn)。

　　既然電池能量密度提升速度不高，那么就只能從電池體積入手了，而在手機(jī)日漸追求輕薄的現(xiàn)在，電池體積想要做到更大勢(shì)必會(huì)和潮流相悖，所以這也是行不通的。

　　三星怕熱，蘋果怕冷，智能手機(jī)電池真的這么脆弱?

　　EDN China小編曾在一篇《鋰離子電池安全使用指南》中看到：不要在溫度過高或過低(低于零度)的環(huán)境中充電，溫度過高容易引起電池過熱，而溫度過低時(shí)，金屬鋰會(huì)在負(fù)極表面析出形成鋰結(jié)晶，鋰結(jié)晶沉積會(huì)刺穿隔膜造成電池內(nèi)短路(但現(xiàn)在有些電池已經(jīng)加入了低溫環(huán)境中阻止充電的技術(shù))。

　　目前智能手機(jī)所采用的電池多為鋰電池，綜合Note7/ iphone 7 “爆炸門”，6S“關(guān)機(jī)門”來看，鋰電池真的有這么脆弱嗎?

　　“傲嬌”的鋰電池不止怕熱，還怕冷!

　　據(jù)了解，對(duì)一般的手機(jī)設(shè)計(jì)來說，電池運(yùn)行的最佳溫度在 0°C 至 35°C，過高的溫度(>35°C)可能永久損壞電池容量，而在非常寒冷的環(huán)境下(低于 0°C)使用手機(jī)時(shí)，則會(huì)使電池的使用時(shí)間降低，最終導(dǎo)致手機(jī)關(guān)閉，但當(dāng)電池溫度返回正常適用范圍，其性能也會(huì)隨之恢復(fù)正常。

　　而更極端的環(huán)境溫度：<-20°C或> 45°C ，不但手機(jī)電池?zé)o法正常使用，而且影響電池的儲(chǔ)存壽命，導(dǎo)致其性能永久惡化。

　　所以對(duì)于手機(jī)，在非理想的工作環(huán)境下，真的會(huì)被“凍”關(guān)機(jī)，而且低端寒冷會(huì)對(duì)手機(jī)電池的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　化學(xué)學(xué)士，果殼實(shí)驗(yàn)室成員“賣口張要做技術(shù)青年”表示：

　　不考慮手機(jī)自身是否存在低溫保護(hù)功能，單就電池性能而言，溫度過低確實(shí)會(huì)導(dǎo)致電池放電困難，從而導(dǎo)致手機(jī)關(guān)機(jī)。

　　首先來看一下一般電池的放電特性：如下圖，多數(shù)電池隨著放電進(jìn)行，電壓先緩慢下降，超過某一放電程度后，電壓會(huì)突降。

　　化學(xué)電池放電曲線示意圖

　　一般把電壓比較平穩(wěn)的那一段稱為“放電平臺(tái)”，對(duì)應(yīng)的用電器設(shè)計(jì)電壓也會(huì)根據(jù)放電平臺(tái)的電壓來設(shè)計(jì)。比如標(biāo)稱電壓為4.2V左右的鋰離子電池的放電至3.3V開始電壓突降，那么對(duì)應(yīng)的手機(jī)往往就得在3.3V以上供電電壓下才能正常開機(jī)。

　　低溫時(shí)的電池表現(xiàn)

　　包括鋰電池在內(nèi)，所有的化學(xué)電池都是利用電化學(xué)反應(yīng)提供電能。其輸出電壓會(huì)符合能斯特方程，根據(jù)這個(gè)方程可以推得——溫度越低電池電壓越低。

　　不同溫度下電池放電曲線會(huì)下面這樣：

　　不同溫度下鋰電池放電曲線示意圖

　　其實(shí)電池充好了電，但是低溫下提供不了那么高的電壓，隨著放電進(jìn)行再降一降，就很快低于手機(jī)要求的最低電壓了，于是你就看到手機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

　　此外，低溫下電池電解液黏度增大也會(huì)阻礙載流離子遷移，這會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻變大、路端電壓降低。也是導(dǎo)致手機(jī)低溫下自動(dòng)關(guān)機(jī)的部分原因。

　　低溫對(duì)電池有無傷害?

　　就電池反應(yīng)本身而言，它只隨溫度降低而電壓下降，只要溫度回升電壓就會(huì)恢復(fù)，這種類型的影響是可逆的。

　　但是，在更低的溫度下，電池中的電解液有可能析出晶體，這些晶體析出后不一定能在回暖后完全溶解回去(充放電次數(shù)過多導(dǎo)致的電池容量下降也和晶體析出有關(guān))。如前面答主@紅色荒漠 所說，“更極端的情況”可能導(dǎo)致電池永久惡化。

　　當(dāng)然，鋰電池根據(jù)電極材料和電解液成分劃分有很多種型號(hào)，每種型號(hào)的抗低溫能力不一定相同，設(shè)計(jì)工作溫度也會(huì)受設(shè)備中電池保溫/散熱性能影響。比如蘋果手機(jī)等設(shè)備推薦使用溫度在0~35℃，而MacBook則為10~35℃。據(jù)我了解，還有其他很多廠商的手機(jī)推薦工作溫度則更寬泛一些。 這些都可能和他們使用的電池型號(hào)不同有關(guān)。

　　蘋果不同設(shè)備推薦使用溫度

　　如何與“鋰電池”愉快地玩耍?

　　1、使用手機(jī)生產(chǎn)商提供的原配電池，不要因貪圖便宜而使用不知名的廠商生產(chǎn)的電池;

　　2、不要在溫度過高或過低(低于零度)的環(huán)境中充電，溫度過高容易引起電池過熱，而溫度過低時(shí)，金屬鋰會(huì)在負(fù)極表面析出形成鋰結(jié)晶，鋰結(jié)晶沉積會(huì)刺穿隔膜造成電池內(nèi)短路(但現(xiàn)在有些電池已經(jīng)加入了低溫環(huán)境中阻止充電的技術(shù));

　　3、如果你需要在充電時(shí)使用某些容易使手機(jī)發(fā)熱的功能，或徹夜充電，那么最好摘掉手機(jī)套，以保證電池正常散熱;

　　4、保持手機(jī)有一半以上的電量對(duì)延長電池壽命很有幫助，因?yàn)殇囯x子電池在低電壓下容易受損;

　　5、注意充電環(huán)境，盡量不要在易燃物附近、車內(nèi)或安全通道內(nèi)充電;

　　6、低溫環(huán)境中，盡量維持電池溫度在工作溫度范圍內(nèi)，如長時(shí)間把手機(jī)窩在溫暖的口袋里。(有人問過加棉或者絨的保暖套管不管用——這些保暖裝備的根本原理都只是盡量隔熱，減緩手機(jī)溫度降低，最終還是能降到自動(dòng)關(guān)機(jī)的程度。Ps.試試給你的手機(jī)貼個(gè)暖寶寶。)