手机也“怕冷”？一到冬天就没电？原因竟然是这个

兜里的智好手机假如真“智好手机”的话，那它一定也不想出门挨冻。
为什么呢？由于手机的“生命条”电量，在这个时令总是以惊人的速率低落。

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这个时令，有一样东西打折非常果断——电池的续航。
北方冬天的电动汽车续航里程，可能只有夏天的7折不到了。
手机的掉电速率也不逞多让。

网络上有一段生动的描写：大冬天有急事要出门，拿起手机一看，还有50+的电量，放心出门，到达目的地拿起手机一看，刚才还是绿色的电池图标不知何时变成了赤色的20%。
你惊异地盯了一下，它又当着你的面变成了1%。
你大惊失落色，对动手机又是哈气又是搓手，却依然阻挡不了手机逐渐变冷的身体……

难道我们就要眼睁睁看动手机的电量在大冷天里一点点耗尽吗？在谈论对策之前，我们先看看，电池的“掉电困境”是怎么形成的。

寒冬下的锂电池续航困境

电池，生活中不可短缺的东西。
在不能被有线传输的电力网络覆盖的每一个地方，都有电池的身影。
在手机、条记本电脑、数码相机中，基本会用到可以反复充电利用的锂离子电池。
目前，电动汽车的发展势头良好，电动汽车的核心组件也是一种大型锂离子电池，它的性能利害直接决定了汽车能跑多快、跑多远。

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电动汽车现在能够“卷土重来”，锂电池功不可没。
为什么说电动汽车是卷土重来呢？电动汽车可是祖上曾经阔过。

电动汽车的历史最早可追溯到1834年，比较于内燃机汽车早了半个多世纪。
19世纪末20世纪初的时候，欧美等发达国家普遍盛行电动汽车，美国市场电动汽车的霸占率比内燃机汽车赶过了16%。
不禁令人感叹，真的满大街都是电动汽车啊！

随着经济的发展，公路网络培植越来越广泛，人们的活动范围加倍的扩大，人们对付汽车的续航里程哀求越来越高。
再加上石油开采提炼技能以及内燃机技能的快速发展，无论是利用本钱、续航里程还是价格及性能上，燃油汽车都变得更加具有上风。
从此时开始电动汽车的热度逐步衰退，逐渐淡出了人们的视线。

低温造成的几大寻衅

现在的电动汽车已经能够有足够长的续航里程，理论续航里程能达到六七百公里。
但在冬天，电动汽车跑个两三百公里可能就没电了，充电速率也没有平时快。
电车的续航这块短板看来补的还是不足长。

问题出在哪？原来是出在温度太低，电池“内耗”了。

探究电池内耗缘故原由之前，先理解一下电池的事情事理。

电池紧张有这几个紧张组成部分：负极(多数拿石墨做负极)、正极(以磷酸铁锂为例)、隔膜(锂离子可以通过、电子弗成)、电池的外壳。

图片来源：作者低廉甜头

当锂离子电池充电时，锂离子会从正极的磷酸铁锂中脱出，在电解质溶液中移动到达负极，嵌入石墨中。
负极的石墨会接管从正极跑过来的锂离子以及通过电线移动过来的电子。
放电时，储存在石墨中的锂离子又跑出来，经由电解液穿过隔膜回到正极。
电子没办法通过隔膜，只能从外部导线回到正极。
这一动作使得导线中产生电流,带动电器事情。

低温会如何影响锂离子电池的事情呢?电池的材料和运作过程均会受到低温环境的影响。
就像冬天永劫光暴露在外的手指会变得不灵巧一样，电池中的材料也会这样。
低温环境下离子脱出、嵌入材料变得不随意马虎了，穿过隔膜也更困难，离子的运动速率也会降落。

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低温放电时，锂离子嵌入正极电极材料的速率变慢，前边的锂离子还没来得及嵌入材料中去，后边的锂离子就到了。
锂离子们开始堵车，电极材料的表面堆积的大量锂离子，会导致钝化层的产生速率加快（业界称为SEI膜，这层膜会使得锂离子嵌入电极的速率减慢），这样一来嵌入难度就更大了。
宏不雅观表现便是电池内阻变大，电池开始“内耗”，向外输出的电量就变小了。

低温充电时，锂离子向着石墨负极迁移，但是锂离子嵌入石墨中的速率也降落了，而电子却能通过导线欢畅地到达负极。
电子在负极表面碰到锂离子就会天生金属锂形成锂枝晶，锂枝晶一旦终年夜就会刺破隔膜，造成电池短路，发生故障。

显微镜下的锂枝晶。
图片来源：参考文献

只要思想不滑坡

办法总比困难多

锂电池低温性能短板，可是一众科研界大佬的“眼中钉肉中刺”啊，电池领域都快把元素周期表探索完了，区区一个低温就能把人给难住喽？科研职员在研究中有了战胜困难的思路——目前，补齐这个短板可以从下面三条路入手。

第一条：换材料。
可以换材料加工办法，换电池制作工艺。

低温环境下导致电池放电性能低落的缘故原由是电池内部阻抗太大，通过改换新的电解质材料、电极材料，尽可能的降落低温情形下的电池内部阻抗，从而提升电池的低温性能。

第二条：内预热。
人在以为冷的时候靠自己跺脚、搓手来产生热量，电池也可以这样干。

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这条技能路线称为内部预热。
在制造电池时，制造商会在电池构造中加上一片薄镍箔，并在上面覆盖有电绝缘聚合物（防止薄镍箔导致电池短路）。
一旦电池温度过低，掌握器会逼迫电流利过镍箔，产生大量的热能来迅速加热电池材料。
让电池始终在比较良好的事情温度范围内放电。

假如想在低温情形下充电，充电设备会先给电池进行小功率充电，利用充电时电池本身产生的热量来预热电池，等到电池温度上升到一个得当的范围再进行大功率快速充电。

第三条：外加热。
可以给电池加装预热设备(好比给人供应暖气、电热炉)。

电池先对预热器件进行小功率的供电，预热器件发热使电池温度上升，等到达得当的事情温度后，电池才进入正常事情状态。
部分电动汽车配备了电池预热功能，冬天在利用汽车前对电池进行预热，才能使汽车进入正常的事情状态。

电池预热的方法。
图片来源：参考文献

低温锂电池

未来可期

最近，海内首条采取磷酸铁锂电池的寒地电推船“领航一号”在松花江的某条支流成功下水，它能够战胜零下三十度的低温。

“领航一号”寒地电推船。
图片来源：中国科学报

低温电池的性能短板，正在被一步步补齐。
说不定过几年就能有电动汽车在北极科考站驰骋了，到那时候，能在北极这种“怪物级别”通关的电池，再回我们日常利用环境这种“新手村落”肯定就能稳定发挥啦！

参考文献：

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[3] 陶政, 彭纪昌, 孟高军, 等. 锂离子电池低温预热方法研究综述[J]. 电源技能, 2022, 46(9): 949–953.

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[8] Battery of tests_ Scientists figure out how to track what happens inside batteries _ Argonne National Laboratory.pdf[J].

出品｜科普中国

作者｜海里的咸鱼

监制｜中国科普博览

选送单位：中国科学院打算机信息网络中央

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