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天冷注意手机剩余电量锂离子电池怕冷

来源：经济日报-中国经济网

科技发达的今天，电的应用无处不在，但是到了冬天，好像所有的电池都变得不好使了。无论是电动汽车，还是手里的手机，电量都会莫名其妙的“消失”。这到底是为什么呢？

低温下锂离子电池容量巨减

冬天如果你的手机电量只有20%，那么到户外打车或扫共享单车都会成为“危险”的事情，很有可能在你拿出手机操作的过程中，电量就瞬间掉到1%，之后就自动关机了。但这时如果你能回到室内让手机暖和起来，它也许还能开机，电量甚至还能恢复一大部分。

不少人在这时候都会认为是手机坏了，但实际上，手机并没有坏，只是目前人们常用的锂离子电池就是怕冷。锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

据检测，在-20℃时锂离子电池放电容量只有室温时的31.5%左右。所以冬天在室内电量只有20%的手机到了0°C以下的室外马上就关机也非常合理。那么锂离子电池为什么在低温下性能下降这么快呢？

低温影响电解液性能

电解液对锂离子电池低温性能的影响最大，电解液的成分及物化性能对电池低温性能有重要影响。电池低温下循环面临的问题是：电解液粘度会变大，离子传导速度变慢，造成外电路电子迁移速度不匹配，因此电池出现严重极化，充放电容量出现急剧降低。尤其当低温充电时，锂离子很容易在负极表面形成锂枝晶，导致电池失效。

电解液的低温性能与电解液自身电导率的大小关系密切，电导率大电解液的传输离子快，低温下可以发挥出更多的容量。电解液中的锂盐解离的越多，迁移数目就越多，电导率就越高。电导率高，离子传导速率越快，所受极化就越小，在低温下电池的性能表现越好。因此较高的电导率是实现锂离子蓄电池良好低温性能的必要条件。

电解液的电导率与电解液的组成成分有关，减小溶剂的粘度是提高电解液电导率的途径之一。溶剂低温下溶剂良好的流动性是离子运输的保障，而低温下电解液在负极所形成的固体电解质膜也是影响锂离子传导的关键，且RSEI为锂离子电池在低温环境下的主要阻抗。

天冷手机耗电快！话说锂电池为啥这么怕冷？

现在的电子产品在大面积应用锂电池之后，是越来越娇贵了，尤其是处在低温区的小伙伴们，一到寒冬时节，手机就容易出现各种各样的问题，比如低温自动关机、充不进电、突然跳电等问题。

探寻原因

最近中国信息通信研究院对这个问题进行了实验，实验人员准备了两块3400mAh的电池，将其充满电，然后将一块放在23℃的环境中，另一块放在﹣10℃的环境中，以相同的速度进行放电。结果发现常温下电池放电的时间为5小时9分钟，放电量为3420mAh，而在﹣10℃的环境中，电池4小时5分钟时就耗电完毕，放电量也只有2716mAh。

原因就是在于低温会降低锂电池的化学反应速率，从而导致可容电量变小的情况 。那么，为什么不加大电池容量去让手机在冬天能够更经用呢？

这里就要牵扯到一个能量密度的概念，能量密度，指的是单位体积或单位重量的电池，能够存储和释放的电量，其单位有两种：Wh/kg，Wh/L，分别代表重量比能量和体积比能量。我们可以用一个等式来更加具象化能量密度这个概念：电池容量×电池电压=电池能量密度×电池体积 。

而锂电池的发展在经历一个快速期后，近些年进入一个瓶颈期。像三星每年平均也只能提高6.5%的能量密度，其实是远远落后于半导体产业的摩尔定律的。

而且对于手机而言，本质上是一个非常理想的爆炸体，爆炸的主要原因正是因为能量聚集在一个密闭的空间内扩散不出去，而现在的手机为了防水性也是做得越来越密闭，越高的能量密度就可能带来越高的爆炸威力，这种风险其实是很大的，当年三星的note7其实就是一个非常惨痛的教训。

既然电池能量密度提升速度不高，那么就只能从电池体积入手了，而在手机日渐追求轻薄的现在，电池体积想要做到更大势必会和潮流相悖，所以这也是行不通的。

“傲娇”的锂电池不止怕热，还怕冷！

据了解，对一般的手机设计来说，电池运行的最佳温度在0°C至35°C ，过高的温度(>35°C)可能永久损坏电池容量，而在非常寒冷的环境下(低于0°C)使用手机时，则会使电池的使用时间降低，最终导致手机关闭，但当电池温度返回正常适用范围，其性能也会随之恢复正常。

而更极端的环境温度：小于-20°C或大于45°C ，不但手机电池无法正常使用，而且影响电池的储存寿命，导致其性能永久恶化。

所以对于手机，在非理想的工作环境下，真的会被“冻”关机，而且低端寒冷会对手机电池的寿命产生负面影响。

首先来看一下一般电池的放电特性：如下图，多数电池随着放电进行，电压先缓慢下降，超过某一放电程度后，电压会突降。

化学电池放电曲线示意图

一般把电压比较平稳的那一段称为“放电平台”，对应的用电器设计电压也会根据放电平台的电压来设计。比如标称电压为4.2V左右的锂离子电池的放电至3.3V开始电压突降，那么对应的手机往往就得在3.3V以上供电电压下才能正常开机。

低温时的电池表现

包括锂电池在内，所有的化学电池都是利用电化学反应提供电能。其输出电压会符合能斯特方程，根据这个方程可以推得——温度越低电池电压越低。

不同温度下电池放电曲线会下面这样：

不同温度下锂电池放电曲线示意图

其实电池充好了电，但是低温下提供不了那么高的电压，随着放电进行再降一降，就很快低于手机要求的最低电压了，于是你就看到手机自动关机。

此外，低温下电池电解液黏度增大也会阻碍载流离子迁移，这会导致电池内阻变大、路端电压降低。也是导致手机低温下自动关机的部分原因。

低温对电池有无伤害？

就电池反应本身而言，它只随温度降低而电压下降，只要温度回升电压就会恢复，这种类型的影响是可逆的。

但是，在更低的温度下，电池中的电解液有可能析出晶体，这些晶体析出后不一定能在回暖后完全溶解回去(充放电次数过多导致的电池容量下降也和晶体析出有关)。“更极端的情况”可能导致电池永久恶化。

当然，锂电池根据电极材料和电解液成分划分有很多种型号，每种型号的抗低温能力不一定相同，设计工作温度也会受设备中电池保温/散热性能影响。比如苹果手机等设备推荐使用温度在0~35℃，而MacBook则为10~35℃。据我了解，还有其他很多厂商的手机推荐工作温度则更宽泛一些。这些都可能和他们使用的电池型号不同有关。