广告

冬季的手机电池为何那么不耐用?

2019-12-23 11:26:30 山寺暮 阅读:
冬天到了,手机电量又开启了它的玄学模式。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,电量竟然也恢复了。然后你就可能会怀疑人生:我的手机电池是不是坏了,为啥就像小孩子的脾气一样让人捉摸不透?

冬天到了,手机电量又开启了它的玄学模式。相信大家或多或少都遇到以下情况。为什么我的小手机明明显示还有20%的电量,只不过拿出来准备扫个共享单车,然后它就显示2%的电量,再然后就自动关机了,留下了在北风中凌乱外加瑟瑟发抖的我。FHHednc

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,电量竟然也恢复了。FHHednc

或者又为什么我的小手机在冬天的时候电量掉得贼快,要走哪都要带着充电宝。FHHednc

然后你就可能会怀疑人生:我的手机电池是不是坏了,为啥就像小孩子的脾气一样让人捉摸不透?FHHednc

其实你的手机电池没坏,它天生的就是这个脾气,只能顺着它。FHHednc

首先,你要知道,手机里面的是锂离子电池,对,就是今年得了诺贝尔化学奖的那个锂离子电池。FHHednc

锂离子电池主要由正极(Cathode Electrode)、负极(Anode Electrode)、电解液(Electrolyte)、隔膜(Separator)、外壳(Case)组成。FHHednc

002ednc20191223.jpgFHHednc
FHHednc

圆柱形与软包锂离子电池的结构 | 来源:futurecar.comFHHednc

因为手机里面的空间狭小,为了充分利用空间,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。FHHednc

锂离子电池的原理相信大家都已经比较了解了,就是依靠锂离子在正极与负极之间的迁移来存储与释放能量。锂离子的迁移行为酷似摇椅,又被称为“摇椅电池”。充电时,锂离子从正极脱出,经过电解液再嵌入负极的石墨层中,与外电路过来的电子结合;而在放电时,锂离子与电子的运动方向则与充电时相反。FHHednc

003ednc20191223.gifFHHednc

上面这张图只是为了方便说明锂离子电池的原理,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复杂多了,看下面这张图就知道了。FHHednc

004ednc20191223.jpgFHHednc
FHHednc

锂离子电池示意图 [1]FHHednc

放电时,锂离子从负极运动到正极,要先在石墨层中的扩散,通过石墨与电解液的界面,然后在电解液中迁移,通过电解液与钴酸锂的界面,最后在钴酸锂中扩散。这一步步的,真的可以说是跨过山和大海,锂离子“搬一次家”也真是不容易。FHHednc

说了这么多,到底为啥子冬天的时候锂离子电池电量就掉的那么快呢?FHHednc

别急,让我们先来看一张图。这是锂离子电池在不同温度下放电曲线图。FHHednc

005ednc20191223.pngFHHednc
FHHednc

不同温度下锂离子电池的放电曲线 [2]FHHednc

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:FHHednc

W=QU(能量=电量×电压)FHHednc

利用一点点微积分的知识,可以知道,图中曲线和坐标轴围成的面积就是能量。这张图告诉我们,锂离子电池随着温度的降低,它所能释放的能量是在减少的,不仅如此,它的容量在减少、电压也变低了。FHHednc

这就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足于仅仅知道这个现象,更想知道里面深层次的原因。FHHednc

006ednc20191223.gifFHHednc
FHHednc

来源:giphy.comFHHednc

前面已经说到了,锂离子电池放电的时候,锂离子从石墨迁移到正极,要跨过山和大海。当锂离子电池的温度降低的时候,锂离子的迁移会更加地艰难。温度降低的时候,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,锂离子在活性物质和电解液中的迁移都受到了很大的阻碍。FHHednc

这样听起来不太直观,我们来看一下无添加电解液的成分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)的混合物。FHHednc

007ednc20191223.jpgFHHednc

碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate),熔点:34~37℃FHHednc

008ednc20191223.pngFHHednc

碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate),熔点:2~4℃FHHednc

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环境下,轻则电解液粘度增大,严重的甚至会部分凝固。锂离子在冻成固态的电解液中迁移,想想就非常不容易。FHHednc

在低温下,锂离子的迁移受阻,最显著的影响就是电池的内阻会大大增加,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候,以为电池快没电了,就提醒你电量不足,甚至为了保护电池,会自动关机。实际上锂离子电池明明是有那么多电量的,可就是发挥不出来。FHHednc

009ednc20191223.jpgFHHednc

为了克服这个问题,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使用。FHHednc

那对于手机上的锂离子电池,有办法让它在冬天的时候别掉电掉那么快吗?FHHednc

办法当然有,你别在寒冷的户外用手机就行,找个暖和的地方,比如在暖气房里,保管你的小手机不耍小脾气。话说,在暖气房里玩手机不好嘛?如果实在是要在寒冷的户外用手机,那就抓紧用,用完之后赶紧揣兜里。万一手机被冻傻了,也别担心,放到暖和的地方它就可以恢复过来,又能正常使用。FHHednc

其实在冬天更应该注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率会降低,低温下给锂离子电池充电时,锂离子嵌入到石墨层中的速率比较慢,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,这个过程叫做“析锂”,析出的金属锂有一部分变得不具有活性,也就是不会参与以后的锂离子迁移,成为了“死锂”。FHHednc

聪明的你肯定也想到了,充放电过程中参与迁移的锂离子少了,那么锂离子电池的容量也就会减少,这种容量的衰减是不可逆的,就算你把电池拿回到温暖的地方,它也没法恢复。这时候只有两个解决办法——换电池或者换手机(多了个换手机的理由)。FHHednc

010ednc20191223.gifFHHednc
FHHednc

来源:giphy.comFHHednc

参考资料FHHednc

[1] XU K. Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries [J]. Chem Rev, 2004, 104(10): 4303-417.FHHednc

[2] Li-ion Battery and Gauge IntroductionFHHednc

(本文授权转载自公众号中科院物理所;参考链接:手机电池在冬天为什么那么不耐用;责编:Demi Xia)FHHednc

  • 谢谢分享!
  • 谢谢分享!昨天刚在中国国国家地理BOOK公众号读了《北极熊真的要灭绝了么?》,里边写保护动物的科学家要在北极开展科学工作真是很艰难。物理学家和化学家是要更加油还是要更多地换手机呢?
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 波兰网友拆德国产电源插排,内部竟是中国制造?! 本文将会介绍LogiLink LPS262U电源插排(接线板)——包含三个USB端口和两个Schuko插座——的内部结构及其简短测试。
  • 理想ONE高速起火烧成光架,其1.2T三缸增程器曾被指隐藏 近期,网络平台上发布了一段理想ONE在行驶过程中,车辆出现起火的视频内容。现场拍摄的灭火后图片显示,该轿车过火后仅剩骨架,车辆前部增程器位置受损严重,车辆尾门已经在过火后从车身主体脱落。此前,曾有国内汽车媒体对一台行驶了10万公里的理想ONE的东安1.2T三缸增程发动机进行拆解,被指隐藏暗病。
  • 仿真器智能,工程师更聪明! 不要过度依赖SPICE仿真器的自动设定,因为过度相信自动化有时可能引发错误。请记得:仿真器智能,工程师更聪明!
  • 【领优秀论文集】Cadence 用户大会已开放注册
  • 儿童电子学(二):电容器 电容器是最重要的电气元件之一,我们将在儿童基础电子课程的第二部分了解它的工作原理我们将从储能功能方面对其进行探索,所进行的测试和实验将侧重于这一要素。
  • GaN是否可靠? GaN产业已经建立一套方法来保证GaN产品的可靠性,因此问题并不在于“GaN是否可靠?”,而是“如何验证GaN的可靠性?”
  • Cadence中国区线上用户大会-2022 会议将集聚Cadence的技术用户、开发者与业界专家,涵盖最完整的先进技术交流平台,从IP/SoC设计、验证仿真、系统分析及多物理场仿真、计算流体力学,到封装和板级设计的全流程的技术分享, 以及针对自动驾驶、人工智能、网络和5G/6G、云服务等创新应用的客户案例分享。您也将有机会和开发Cadence工具和IP的技术专家们进行对话。与此同时,还有丰富礼品等您来赢。 新的故事总会在盛夏开始序曲,新的灵感也极有可能于技术交流中迸发。
  • EA Elektro-Automatik代表与中国驻德大使共商中国市 EA Elektro-Automatik受邀参加主题为“变革中的贸易?不确定性时代的中德经济关系展望”的高层外贸战略论坛,为公司在中国市场实现重要增长进行规划并奠定基础。
  • 碳化硅电力电子应用不止于汽车 第三代宽禁带半导体——碳化硅(SiC)——正在发挥其众所周知的潜力,在过去五年内,汽车行业一直是该材料的公开试验场。然而,电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现,包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化,甚至飞机。在供电方面,并网太阳能发电系统和通过高压直流链路传输能源,对于低碳能源的生产和分配也至关重要。
  • 拆解一个中国产的“树莓派”开发笔记本,售价279美元值 “树莓派”在全球市越来越受欢迎,甚至有家长开始让孩子用树莓派学习开发产品。有中国厂商嗅到,率先开发出了基于“树莓派”笔记本——CrowPi L ,外观看和普通笔记本差不多, 但却是基于树莓派Raspberry Pi 4B 开发板的套件,专为 STEM 教育而设计,带有可选的电子模块和教程。EDN发现有外媒对其进行了拆解,接下来将这篇拆解文章分享给大家:
  • 波兰网友测试拆解中国产手电筒/手提灯,会不会发起客诉? 本文将对中国制造的COB LED HP1807带移动电源的手提灯/手电筒的内部(包括电池容量)进行简短的测试和分析。在本主题中,我还将展示其电路板上连接的详细草图,这实际上也构成了其原理图。
  • 增强型GaN HEMT的漏极电流特性 增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)已经采用两种不同的结构开发出来。这两种增强型结构是金属-绝缘层-半导体(MIS)结构和栅极注入晶体管(GIT)结构。MIS结构具有受电压驱动的小栅极漏电流,而GIT则具有脊形结构和高阈值电压。两者也都有一些缺点。MIS对栅极干扰的可靠性较低,阈值电压较低,而GIT的栅极开关速度较慢,栅极漏电流较大。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了