鋰電池天冷失活原理分析

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

　　尤其是 iPhone，一到天冷就自動(dòng)關(guān)機這件事眾所周知，在知乎上就有這么個(gè)問(wèn)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(zhù)刀子一樣的冷風(fēng)幾個(gè)小時(shí)蹲守，終于等到了嫌疑人，掏出手機給隊長(cháng)發(fā)信息，明明 5 分鐘前還有 40% 的電量，結果就在我要發(fā)信息的時(shí)候手機關(guān)機了，無(wú)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，直到出了小區，到了下一個(gè)卡口站點(diǎn)，也沒(méi)啟動(dòng)起來(lái)，幸虧抓捕方案做了雙保險，嫌疑人被卡口同事發(fā)現并實(shí)施抓捕。

　　我的辛苦工作被一部蘋(píng)果手機全部報廢，要犯險些逃跑，險些造成重大惡劣后果。當時(shí)我就下決心必須修理好電池自動(dòng)關(guān)機問(wèn)題。我回天津找到了蘋(píng)果專(zhuān)賣(mài)店保修，他們檢測以后說(shuō)沒(méi)有問(wèn)題，不予更換電池，也沒(méi)法修理。

　　從此刻起，我發(fā)誓，絕對不碰蘋(píng)果手機，不論這個(gè)電池問(wèn)題是否解決。因為在蘋(píng)果費盡心機粉飾的光鮮形象之下，從生產(chǎn)到售后，都客觀(guān)存在嚴重問(wèn)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，而出現嚴重問(wèn)題后，消費者的使用場(chǎng)景越重大，蘋(píng)果的錯誤帶來(lái)的后果越嚴重，而他們蘋(píng)果公司既不會(huì )承認問(wèn)題，也不會(huì )解決問(wèn)題，連基本的態(tài)度都沒(méi)有。這樣的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品玩兒玩兒還行，不堪大用。

　　無(wú)獨有偶，EDN小編發(fā)現點(diǎn)贊排名靠前的大部分都在吐槽 不“抗凍”。

　　當然 iPhone 的問(wèn)題比較極端，主要還是因為電池保護程序的設定問(wèn)題，在低于某個(gè)溫度的時(shí)候就會(huì )自動(dòng)關(guān)機，如果你仔細看下 iPhone 長(cháng)長(cháng)的說(shuō)明書(shū)，里面就會(huì )有請在溫度介于 0oC 至 35oC之間的環(huán)境中使用 iOS 設備的建議，自動(dòng)關(guān)機問(wèn)題最后也導致去年「降速門(mén)」的爆發(fā)，最后逼得蘋(píng)果也不得不用低價(jià)更換電池的措施來(lái)挽回用戶(hù)。

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

　　最近中國信息通信研究院對這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗，實(shí)驗人員準備了兩塊 3400mAh 的電池，將其充滿(mǎn)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。結果發(fā)現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)反應速率，從而導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(lái)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)是遠遠落后于半導體產(chǎn)業(yè)的摩爾定律的 。而且對于手機而言，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為能量聚集在一個(gè)密閉的空間內擴散不出去，而現在的手機為了防水性也是做得越來(lái)越密閉，越高的能量密度就可能帶來(lái)越高的爆炸威力，這種風(fēng)險其實(shí)是很大的，當年三星的 note7 其實(shí)就是一個(gè)非常慘痛的教訓。

　　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，而在手機日漸追求輕薄的現在，電池體積想要做到更大勢必會(huì )和潮流相悖，所以這也是行不通的。

　　三星怕熱，蘋(píng)果怕冷，智能手機電池真的這么脆弱?

　　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(guò)高或過(guò)低(低于零度)的環(huán)境中充電，溫度過(guò)高容易引起電池過(guò)熱，而溫度過(guò)低時(shí)，金屬鋰會(huì )在負極表面析出形成鋰結晶，鋰結晶沉積會(huì )刺穿隔膜造成電池內短路(但現在有些電池已經(jīng)加入了低溫環(huán)境中阻止充電的技術(shù))。

　　目前智能手機所采用的電池多為鋰電池，綜合Note7/ iphone 7 “爆炸門(mén)”，6S“關(guān)機門(mén)”來(lái)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!

　　據了解，對一般的手機設計來(lái)說(shuō)，電池運行的最佳溫度在 0°C 至 35°C，過(guò)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)使用手機時(shí)，則會(huì )使電池的使用時(shí)間降低，最終導致手機關(guān)閉，但當電池溫度返回正常適用范圍，其性能也會(huì )隨之恢復正常。

　　而更極端的環(huán)境溫度：<-20°C或> 45°C ，不但手機電池無(wú)法正常使用，而且影響電池的儲存壽命，導致其性能永久惡化。

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

　　化學(xué)學(xué)士，果殼實(shí)驗室成員“賣(mài)口張要做技術(shù)青年”表示：

　　不考慮手機自身是否存在低溫保護功能，單就電池性能而言，溫度過(guò)低確實(shí)會(huì )導致電池放電困難，從而導致手機關(guān)機。

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

　　化學(xué)電池放電曲線(xiàn)示意圖

　　一般把電壓比較平穩的那一段稱(chēng)為“放電平臺”，對應的用電器設計電壓也會(huì )根據放電平臺的電壓來(lái)設計。比如標稱(chēng)電壓為4.2V左右的鋰離子電池的放電至3.3V開(kāi)始電壓突降，那么對應的手機往往就得在3.3V以上供電電壓下才能正常開(kāi)機。

　　低溫時(shí)的電池表現

　　包括鋰電池在內，所有的化學(xué)電池都是利用電化學(xué)反應提供電能。其輸出電壓會(huì )符合能斯特方程，根據這個(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(xiàn)會(huì )下面這樣：

　　不同溫度下鋰電池放電曲線(xiàn)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(zhù)放電進(jìn)行再降一降，就很快低于手機要求的最低電壓了，于是你就看到手機自動(dòng)關(guān)機。

　　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 )導致電池內阻變大、路端電壓降低。也是導致手機低溫下自動(dòng)關(guān)機的部分原因。

　　低溫對電池有無(wú)傷害?

　　就電池反應本身而言，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，這種類(lèi)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(充放電次數過(guò)多導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(shuō)，“更極端的情況”可能導致電池永久惡化。

　　當然，鋰電池根據電極材料和電解液成分劃分有很多種型號，每種型號的抗低溫能力不一定相同，設計工作溫度也會(huì )受設備中電池保溫/散熱性能影響。比如蘋(píng)果手機等設備推薦使用溫度在0~35℃，而MacBook則為10~35℃。據我了解，還有其他很多廠(chǎng)商的手機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不同有關(guān)。

　　蘋(píng)果不同設備推薦使用溫度

　　如何與“鋰電池”愉快地玩耍?

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

　　2、不要在溫度過(guò)高或過(guò)低(低于零度)的環(huán)境中充電，溫度過(guò)高容易引起電池過(guò)熱，而溫度過(guò)低時(shí)，金屬鋰會(huì )在負極表面析出形成鋰結晶，鋰結晶沉積會(huì )刺穿隔膜造成電池內短路(但現在有些電池已經(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發(fā)熱的功能，或徹夜充電，那么最好摘掉手機套，以保證電池正常散熱;

　　4、保持手機有一半以上的電量對延長(cháng)電池壽命很有幫助，因為鋰離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(chē)內或安全通道內充電;

　　6、低溫環(huán)境中，盡量維持電池溫度在工作溫度范圍內，如長(cháng)時(shí)間把手機窩在溫暖的口袋里。(有人問(wèn)過(guò)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，減緩手機溫度降低，最終還是能降到自動(dòng)關(guān)機的程度。Ps.試試給你的手機貼個(gè)暖寶寶。)