为什么天气一变冷，手机、电动汽车掉电速度就更快了？

糖小小

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长和轻便的特点，被广泛应用于动力汽车和便携式电子产品领域。


然而，天气一变冷，像手机、电动汽车这些配备着锂离子电池的设备，难免会出现掉电快、充电慢的问题，给我们的生活带来诸多不便。


锂离子电池为什么不“抗冻”？有没有解决办法呢？


锂离子电池是如何提供电能的？




在解释锂离子电池为什么不“抗冻”之前，我们先简单介绍一下锂离子电池的组成及工作原理。


锂离子电池由正极、负极、电解液等结构组成，电解液存在于整个电池中，负责在正负极之间传输锂离子。锂离子电池依靠锂离子的“辛勤工作”（也就是锂离子在正负极之间的来回移动）实现电能的储存与释放。说得更具体点，就是在放电过程中，锂离子从负极迁移到正极，充电过程则反向迁移。
锂离子电池放电与充电过程的工作原理 图源: studiousguy.com


我们来打个比方：


小锂（锂离子）是一位勤劳的上班族，每天要在家（负极）和公司（正极）两个地方通勤。白天的时候，他能量满满地从家（负极）出发，游过河流（电解液），来到单位（正极）上班（放电）。晚上的时候，他从单位回家休息（充电）。春去秋来，转眼就到了冬天，小锂的上班之路也变得更加艰难……


为什么锂离子电池不“抗冻”？




锂离子电池低温性能差受多方面因素的影响。首先，温度的降低导致锂离子在正负极内部的扩散速度下降。也就是说，原本活力四射的小锂也有了点拖延症，工作效率直线下滑。


其次，低温条件下，电解液粘度增加，阻碍锂离子在电解液中的传输。也就是说，河水开始结冰了，小锂的移动速度变慢，拼命游也游不快。



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还有就是，锂离子难以脱溶剂化，在SEI层中传输缓慢，电荷转移阻抗增加。


这是为什么呢？事实上，在锂离子电池的首次充电过程中，正负极材料与电解液发生反应，在固液界面形成钝化层（固体电解质界面相，缩写为 SEI），也就是说，小锂从电解液这条河流上岸时，需要先通过 SEI 这道“门”，才能进入到负极中。


但要想跨越这道“门”之前，锂离子还得解决一个问题，那就是“脱溶剂化”。锂离子并不是单独存在于电解液中，而是以与溶剂分子、阴离子相互作用形成的一种溶剂化结构存在的。这就意味着，锂离子还得想办法把自己从其中脱离出来，才能穿过界面处的钝化层进入正负极内部，而低温环境也会阻碍这个脱离过程。这些因素最终导致锂离子在“门”处的行动时间增加，无形中延长了通勤时间。


这些原因总结下来就是：低温影响锂离子的传输，从而影响了电池的性能。


如何解决不“抗冻”的问题？




目前，我们可以从电池本身、外加辅助、使用习惯三个方面来改善锂离子电池低温性能差的问题。


① 打铁还需自身硬，改善电解液的低温性能


挑选合适的共溶剂和添加剂，例如 DMSO 等，可以降低电解液的凝固点和粘度，提高锂离子的低温运动能力，也就是提高离子电导率；






选用合适的锂盐。锂盐是锂离子电池电解液中的溶质，可以通过改变电解质盐的解离程度和 SEI 的形成能力，提升电池在低温环境中的性能。




② 外加辅助：热管理系统


既然锂离子电池不“抗冻”，那我们就把它放在温暖的环境下工作，问题不就迎刃而解了么？电动汽车上的热管理系统可以在冬天为锂离子电池打造“温室”，保障电池在低温下的充放电性能。另外，它还能在电池温度较高的时候加速散热，防止高温造成的安全问题。


③ 合理使用电池


在使用手机时，我们可以尽量避免将其长时间暴露在寒冷的空气中，可以把手机放在口袋里，或者用厚一点的手机壳来维持电池温度。


有人也建议直接把暖宝宝贴在手机后面加热电池，这个方法虽说能直接提高温度，但可能存在一些安全问题。一方面，暖宝宝的发热温度在 60℃ 左右，直接用手接触容易烫伤；另一方面，如果手机背板是导热性佳的金属或是**材质，太高的工作温度对电池也有负面的影响。

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除此之外，尽量减少手机使用频率、调低亮度、关闭不必要的功能和后台程序等方法也可以延长电池的使用时间。总之，就一个原则：怎么省电，怎么来。


锂离子电池“不抗冻”的问题目前无可避免，但研发人员正努力攻克。正如名言所说：冬天来了，春天还会远吗？让我们共同期待春天的到来吧！


来源：上海科技馆

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