手机也“怕冷”———为什么冬天手机电池掉电快

刘 铭

在冬季寒冷的室外,想必大家都有体会,因为冻手已经很少玩手机了,而且每次在室外拿出手机时,手机电池的电量就像坐滑梯似的,嗖嗖往下掉,尤其是身处冰场、滑雪场等更冷的地方时,说不定手机一拿出来就自动关机了．然而神奇的是,手机在户外冻得没反应,一回到温暖的室内,它竟然又能开机了,电量也恢复了正常．手机在严寒下竟如此不堪一击,难道是手机电池“着凉”了？它也怕冷吗?

接下来就让我们认识一下这个“怕冷”的手机电池吧．

目前手机电池多为锂离子电池,因为锂离子电池具有很多优势,如无污染、没有记忆效应等,便于手机随时充电．锂离子电池给人们生活带来了巨大的便利,也因此2019年的诺贝尔化学奖授予了对锂离子电池发展作出贡献的三位科学家．

图1 锂离子电池的组成

锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜、外壳组成,如图1所示．

因为手机空间有限,为了充分利用空间,手机上的锂离子电池正极是由压实密度高、体积更小的钴酸锂制成,负极是由石墨制成．

锂离子电池是根据锂离子在正极与负极之间的定向的往复移动,来存储与释放能量的．锂离子的迁移与摇椅相似,一来一去,所以又被称为“摇椅电池”(图2是充电示意图,图3是放电示意图)．

图2 充电示意图 图3 放电示意图

充电时,锂离子从正极运动到负极,要先在钴酸锂中扩散,通过钴酸锂与电解液的界面,然后在电解液中迁移,通过电解液与石墨的界面,最后在石墨中扩散.可见锂离子这个大部队“搬一次家”也真是不容易,要跨越重重阻碍.而在放电时,锂离子与电子的运动方向则与充电时相反 (图4 是锂离子电池示意图)．

图4 锂离子电池示意图

再优秀的事物也有弱点,锂离子电池也不例外,它的弱点就是受温度影响比较大．图5展示了锂电池在不同温度下的放电情况．

图5 锂电池在不同温度下的放电情况

图5中横坐标表示电容量(是指给定电位差下的电荷储藏量),纵坐标是电压,电容器所带电荷量Q与电容器两极间的电压U之间的关系满足W=QU(能量等于电荷量乘以电压).结合图象可以发现,图中曲线和坐标轴围成的面积就是电能,而随着温度的降低,锂离子电池所能释放的能量也在减少,不仅如此,它的电容量在减少,电压也随之变低了,所以低温时使用会觉得耗电较快．

温度对锂电池里的物质到底会造成怎样的影响呢?前面已经知道,当锂离子电池放电的时候,锂离子从负极石墨“搬到”正极钴酸锂中,要跨越中间的“障碍物”电解液,而电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,熔点分别为34～37℃、2～4℃.也就是说在室温下,EC已经凝固了,0℃下DMC也凝固了,不仅如此,低温还会减小锂离子在石墨和钴酸锂中的扩散系数.可想而知,锂离子在变得黏稠,甚至是冻成固态的电解液中迁移,必然使原本就不容易的“搬家”活动变得更加困难．

在低温下,电池的内阻增加,锂离子电池的端电压(端电压等于开路电流乘以电池内阻)下降,当手机检测到锂离子电池处于低电压的时候,以为电池快没电了,就提醒你电量不足.为防止低温下电池受损,智能手机设定了低温保护机制,当低于一定温度时,会强行关闭电源,当回到常温后自动解除保护．

目前,锂离子电池的最佳工作温度是16～25℃,通常所说的电池的容量也是指电池在理想温度下测得的最佳数据.为了弥补低温对锂离子电池带来的“伤害”,科学家也在努力研发电解液添加剂和低温电解液,以便锂离子电池在低温下能正常工作.图6是锂离子电池工作温度和理想工作温度区间．

图6 锂离子电池工作温度、理想工作温度区间

可能有人会想,天冷手机没电了不要紧啊,不是有充电宝吗,随时充电不就行了．注意，千万不要在低温下给手机充电!因为锂离子在低温下迁移速率会降低,低温下充电时,锂离子嵌入石墨层中的速率变慢,就会有锂离子来不及嵌入到石墨层中,而直接在石墨表面得到电子形成金属锂,这个过程叫作“析锂”.析出的金属锂有一部分会失去活性,不会继续参与以后的锂离子迁移．在充放电过程中参与迁移的锂离子少了,锂离子电池的容量也就降低了,这种容量的衰减是不可逆的,会直接造成电池的损伤．

那么身处低温环境中,做点什么才能有效预防手机疯狂掉电带来的困扰呢?那就是给自己保暖的同时,记得给手机保暖, 别让它“着凉”．我们可以把手机放置在大衣内侧的口袋里,用体温给予它温暖，同时尽量不在室外玩手机,用耳机通话等;如果不幸手机还是自动关机了,也不要强行开机,找个温暖的地方,让它暖和一下自然就好了．

当然，不仅手机遇到寒冷环境时具有保护意识,其他用锂离子电池工作的用电器也对温度十分敏感,比如照相机、摄像机、笔记本电脑等,所以我们要深入了解锂电池的“脾气秉性”,才能在日后更好地与之“相处”．