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現在的電子產品在大面積應用鋰電池之後,是越來越嬌貴了,尤其是處在低溫區的小夥伴們,一到寒冬時節,手機就容易出現各種各樣的問題,比如低溫自動關機、充不進電、突然跳電等問題。
探尋原因
最近中國信息通信研究院對這個問題進行了實驗,實驗人員準備了兩塊3400mAh的電池,將其充滿電,然後將一塊放在23℃的環境中,另一塊放在﹣10℃的環境中,以相同的速度進行放電。結果發現常溫下電池放電的時間為5小時9分鐘,放電量為3420mAh,而在﹣10℃的環境中,電池4小時5分鐘時就耗電完畢,放電量也只有2716mAh。
原因就是在於低溫會降低鋰電池的化學反應速率,從而導致可容電量變小的情況。那麼,為什麼不加大電池容量去讓手機在冬天能夠更經用呢?
這里就要牽扯到一個能量密度的概念,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。我們可以用一個等式來更加具象化能量密度這個概念:電池容量×電池電壓=電池能量密度×電池體積。
而鋰電池的發展在經歷一個快速期後,近些年進入一個瓶頸期。像三星每年平均也只能提高6.5%的能量密度,其實是遠遠落後於半導體產業的摩爾定律的。而且對於手機而言,本質上是一個非常理想的爆炸體,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,這種風險其實是很大的,當年三星的note7其實就是一個非常慘痛的教訓。
既然電池能量密度提升速度不高,那麼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和潮流相悖,所以這也是行不通的。
「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說,電池運行的最佳溫度在0°C至35°C,過高的溫度(>35°C)可能永久損壞電池容量,而在非常寒冷的環境下(低於0°C)使用手機時,則會使電池的使用時間降低,最終導致手機關閉,但當電池溫度返回正常適用範圍,其性能也會隨之恢復正常。
而更極端的環境溫度:小於-20°C或大於45°C,不但手機電池無法正常使用,而且影響電池的儲存壽命,導致其性能永久惡化。
所以對於手機,在非理想的工作環境下,真的會被「凍」關機,而且低端寒冷會對手機電池的壽命產生負面影響。
首先來看一下一般電池的放電特性:如下圖,多數電池隨著放電進行,電壓先緩慢下降,超過某一放電程度後,電壓會突降。
化學電池放電曲線示意圖
一般把電壓比較平穩的那一段稱為「放電平台」,對應的用電器設計電壓也會根據放電平台的電壓來設計。比如標稱電壓為4.2V左右的鋰離子電池的放電至3.3V開始電壓突降,那麼對應的手機往往就得在3.3V以上供電電壓下才能正常開機。
低溫時的電池表現
包括鋰電池在內,所有的化學電池都是利用電化學反應提供電能。其輸出電壓會符合能斯特方程,根據這個方程可以推得——溫度越低電池電壓越低。
不同溫度下電池放電曲線會下面這樣:
不同溫度下鋰電池放電曲線示意圖
其實電池充好了電,但是低溫下提供不了那麼高的電壓,隨著放電進行再降一降,就很快低於手機要求的最低電壓了,於是你就看到手機自動關機。
此外,低溫下電池電解液黏度增大也會阻礙載流離子遷移,這會導致電池內阻變大、路端電壓降低。也是導致手機低溫下自動關機的部分原因。
低溫對電池有無傷害?
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恢復,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,這些晶體析出後不一定能在回暖後完全溶解回去(充放電次數過多導致的電池容量下降也和晶體析出有關)。「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,設計工作溫度也會受設備中電池保溫/散熱性能影響。比如蘋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。
蘋果不同設備推薦使用溫度
如何與「鋰電池」愉快地玩耍?
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使用手機生產商提供的原配電池,不要因貪圖便宜而使用不知名的廠商生產的電池;
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不要在溫度過高或過低(低於零度)的環境中充電,溫度過高容易引起電池過熱,而溫度過低時,金屬鋰會在負極表面析出形成鋰結晶,鋰結晶沉積會刺穿隔膜造成電池內短路(但現在有些電池已經加入了低溫環境中阻止充電的技術);
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如果你需要在充電時使用某些容易使手機發熱的功能,或徹夜充電,那麼最好摘掉手機套,以保證電池正常散熱;
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保持手機有一半以上的電量對延長電池壽命很有幫助,因為鋰離子電池在低電壓下容易受損;
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注意充電環境,盡量不要在易燃物附近、車內或安全通道內充電;
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低溫環境中,盡量維持電池溫度在工作溫度範圍內,如長時間把手機窩在溫暖的口袋里。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,減緩手機溫度降低,最終還是能降到自動關機的程度。
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