充電機(jī)充電鋰電池在冬天失活到底是咋回事？
2019-1-16 11:00:39??????點(diǎn)擊：
現(xiàn)在的電子產(chǎn)品在大面積應(yīng)用充電機(jī)充電鋰電池之后，是越來越嬌貴了，尤其是處在低溫區(qū)的小伙伴們，一到寒冬時節(jié)，手機(jī)就容易出現(xiàn)各種各樣的問題，比如低溫自動關(guān)機(jī)、充不進(jìn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)人員準(zhǔn)備了兩塊3400mAh的電池，將其充滿電，然后將一塊放在23℃的環(huán)境中，另一塊放在﹣10℃的環(huán)境中，以相同的速度進(jìn)行放電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(huán)境中，電池4小時5分鐘時就耗電完畢，放電量也只有2716mAh。
原因就是在于低溫會降低充電機(jī)充電鋰電池的化學(xué)反應(yīng)速率，從而導(dǎo)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(jī)在冬天能夠更經(jīng)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。
而充電機(jī)充電鋰電池的發(fā)展在經(jīng)歷一個快速期后，近些年進(jìn)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(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的摩爾定律的。而且對于手機(jī)而言，本質(zhì)上是一個非常理想的爆炸體，爆炸的主要原因正是因?yàn)槟芰烤奂谝粋€密閉的空間內(nèi)擴(kuò)散不出去，而現(xiàn)在的手機(jī)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(fēng)險其實(shí)是很大的，當(dāng)年三星的note7其實(shí)就是一個非常慘痛的教訓(xùn)。
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(jī)日漸追求輕薄的現(xiàn)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”的充電機(jī)充電鋰電池不止怕熱，還怕冷！
據(jù)了解，對一般的手機(jī)設(shè)計來說，電池運(yùn)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(huán)境下(低于0°C)使用手機(jī)時，則會使電池的使用時間降低，最終導(dǎo)致手機(jī)關(guān)閉，但當(dāng)電池溫度返回正常適用范圍，其性能也會隨之恢復(fù)正常。
而更極端的環(huán)境溫度：小于-20°C或大于45°C，不但手機(jī)電池?zé)o法正常使用，而且影響電池的儲存壽命，導(dǎo)致其性能永久惡化。
所以對于手機(jī)，在非理想的工作環(huán)境下，真的會被“凍”關(guān)機(jī)，而且低端寒冷會對手機(jī)電池的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。
首先來看一下一般電池的放電特性：如下圖，多數(shù)電池隨著放電進(jìn)行，電壓先緩慢下降，超過某一放電程度后，電壓會突降。
化學(xué)電池放電曲線示意圖
一般把電壓比較平穩(wěn)的那一段稱為“放電平臺”，對應(yīng)的用電器設(shè)計電壓也會根據(jù)放電平臺的電壓來設(shè)計。比如標(biāo)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，那么對應(yīng)的手機(jī)往往就得在3.3V以上供電電壓下才能正常開機(jī)。
低溫時的電池表現(xiàn)
包括充電機(jī)充電鋰電池在內(nèi)，所有的化學(xué)電池都是利用電化學(xué)反應(yīng)提供電能。其輸出電壓會符合能斯特方程，根據(jù)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：
不同溫度下充電機(jī)充電鋰電池放電曲線示意圖
其實(shí)電池充好了電，但是低溫下提供不了那么高的電壓，隨著放電進(jìn)行再降一降，就很快低于手機(jī)要求的最低電壓了，于是你就看到手機(jī)自動關(guān)機(jī)。
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(dǎo)致電池內(nèi)阻變大、路端電壓降低。也是導(dǎo)致手機(jī)低溫下自動關(guān)機(jī)的部分原因。
低溫對電池有無傷害？
就電池反應(yīng)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(fù)，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，這些晶體析出后不一定能在回暖后完全溶解回去(充放電次數(shù)過多導(dǎo)致的電池容量下降也和晶體析出有關(guān))。“更極端的情況”可能導(dǎo)致電池永久惡化。
當(dāng)然，充電機(jī)充電鋰電池根據(jù)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(shè)計工作溫度也會受設(shè)備中電池保溫/散熱性能影響。比如蘋果手機(jī)等設(shè)備推薦使用溫度在0~35℃，而MacBook則為10~35℃。據(jù)我了解，還有其他很多廠商的手機(jī)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)。
使用手機(jī)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商生產(chǎn)的電池;
不要在溫度過高或過低(低于零度)的環(huán)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(fù)極表面析出形成鋰結(jié)晶，鋰結(jié)晶沉積會刺穿隔膜造成電池內(nèi)短路(但現(xiàn)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));
如果你需要在充電時使用某些容易使手機(jī)發(fā)熱的功能，或徹夜充電，那么最好摘掉手機(jī)套，以保證電池正常散熱;
保持手機(jī)有一半以上的電量對延長電池壽命很有幫助，因?yàn)殇囯x子電池在低電壓下容易受損;
注意充電環(huán)境，盡量不要在易燃物附近、車內(nèi)或安全通道內(nèi)充電;
低溫環(huán)境中，盡量維持電池溫度在工作溫度范圍內(nèi)，如長時間把手機(jī)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(jī)溫度降低，最終還是能降到自動關(guān)機(jī)的程度。
探尋原因
最近中國信息通信研究院對這個問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)人員準(zhǔn)備了兩塊3400mAh的電池，將其充滿電，然后將一塊放在23℃的環(huán)境中，另一塊放在﹣10℃的環(huán)境中，以相同的速度進(jìn)行放電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(huán)境中，電池4小時5分鐘時就耗電完畢，放電量也只有2716mAh。
原因就是在于低溫會降低充電機(jī)充電鋰電池的化學(xué)反應(yīng)速率，從而導(dǎo)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(jī)在冬天能夠更經(jīng)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。
而充電機(jī)充電鋰電池的發(fā)展在經(jīng)歷一個快速期后，近些年進(jìn)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(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的摩爾定律的。而且對于手機(jī)而言，本質(zhì)上是一個非常理想的爆炸體，爆炸的主要原因正是因?yàn)槟芰烤奂谝粋€密閉的空間內(nèi)擴(kuò)散不出去，而現(xiàn)在的手機(jī)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(fēng)險其實(shí)是很大的，當(dāng)年三星的note7其實(shí)就是一個非常慘痛的教訓(xùn)。
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(jī)日漸追求輕薄的現(xiàn)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”的充電機(jī)充電鋰電池不止怕熱，還怕冷！
據(jù)了解，對一般的手機(jī)設(shè)計來說，電池運(yùn)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(huán)境下(低于0°C)使用手機(jī)時，則會使電池的使用時間降低，最終導(dǎo)致手機(jī)關(guān)閉，但當(dāng)電池溫度返回正常適用范圍，其性能也會隨之恢復(fù)正常。
而更極端的環(huán)境溫度：小于-20°C或大于45°C，不但手機(jī)電池?zé)o法正常使用，而且影響電池的儲存壽命，導(dǎo)致其性能永久惡化。
所以對于手機(jī)，在非理想的工作環(huán)境下，真的會被“凍”關(guān)機(jī)，而且低端寒冷會對手機(jī)電池的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。
首先來看一下一般電池的放電特性：如下圖，多數(shù)電池隨著放電進(jìn)行，電壓先緩慢下降，超過某一放電程度后，電壓會突降。
化學(xué)電池放電曲線示意圖
一般把電壓比較平穩(wěn)的那一段稱為“放電平臺”，對應(yīng)的用電器設(shè)計電壓也會根據(jù)放電平臺的電壓來設(shè)計。比如標(biāo)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，那么對應(yīng)的手機(jī)往往就得在3.3V以上供電電壓下才能正常開機(jī)。
低溫時的電池表現(xiàn)
包括充電機(jī)充電鋰電池在內(nèi)，所有的化學(xué)電池都是利用電化學(xué)反應(yīng)提供電能。其輸出電壓會符合能斯特方程，根據(jù)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：
不同溫度下充電機(jī)充電鋰電池放電曲線示意圖
其實(shí)電池充好了電，但是低溫下提供不了那么高的電壓，隨著放電進(jìn)行再降一降，就很快低于手機(jī)要求的最低電壓了，于是你就看到手機(jī)自動關(guān)機(jī)。
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(dǎo)致電池內(nèi)阻變大、路端電壓降低。也是導(dǎo)致手機(jī)低溫下自動關(guān)機(jī)的部分原因。
低溫對電池有無傷害？
就電池反應(yīng)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(fù)，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，這些晶體析出后不一定能在回暖后完全溶解回去(充放電次數(shù)過多導(dǎo)致的電池容量下降也和晶體析出有關(guān))。“更極端的情況”可能導(dǎo)致電池永久惡化。
當(dāng)然，充電機(jī)充電鋰電池根據(jù)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(shè)計工作溫度也會受設(shè)備中電池保溫/散熱性能影響。比如蘋果手機(jī)等設(shè)備推薦使用溫度在0~35℃，而MacBook則為10~35℃。據(jù)我了解，還有其他很多廠商的手機(jī)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)。
使用手機(jī)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商生產(chǎn)的電池;
不要在溫度過高或過低(低于零度)的環(huán)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(fù)極表面析出形成鋰結(jié)晶，鋰結(jié)晶沉積會刺穿隔膜造成電池內(nèi)短路(但現(xiàn)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));
如果你需要在充電時使用某些容易使手機(jī)發(fā)熱的功能，或徹夜充電，那么最好摘掉手機(jī)套，以保證電池正常散熱;
保持手機(jī)有一半以上的電量對延長電池壽命很有幫助，因?yàn)殇囯x子電池在低電壓下容易受損;
注意充電環(huán)境，盡量不要在易燃物附近、車內(nèi)或安全通道內(nèi)充電;
低溫環(huán)境中，盡量維持電池溫度在工作溫度范圍內(nèi)，如長時間把手機(jī)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(jī)溫度降低，最終還是能降到自動關(guān)機(jī)的程度。
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