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锂电池天冷失活原理分析

作者:时间:2019-01-16来源:网络收藏

  现在的电子产品在大面积应用之后,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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201901/396787.htm

  尤其是 iPhone,一到天冷就自动关机这件事众所周知,在知乎上就有这么个问题「iPhone 有什么让你放弃的理由?」,最高赞的答案就是一位警察叔叔的血泪控诉。

  有一次到山东抓捕,用 6,在楼下冒着刀子一样的冷风几个小时蹲守,终于等到了嫌疑人,掏出手机给队长发信息,明明 5 分钟前还有 40% 的电量,结果就在我要发信息的时候手机关机了,无论如何都启动不了。我跟在嫌疑人的后面,尽量隐蔽跟踪,不停的试图启动手机,直到出了小区,到了下一个卡口站点,也没启动起来,幸亏抓捕方案做了双保险,嫌疑人被卡口同事发现并实施抓捕。

  我的辛苦工作被一部苹果手机全部报废,要犯险些逃跑,险些造成重大恶劣后果。当时我就下决心必须修理好电池自动关机问题。我回天津找到了苹果专卖店保修,他们检测以后说没有问题,不予更换电池,也没法修理。

  从此刻起,我发誓,绝对不碰苹果手机,不论这个电池问题是否解决。因为在苹果费尽心机粉饰的光鲜形象之下,从生产到售后,都客观存在严重问题,而他们的官僚作风,不是发售个新产品就能解决的,而出现严重问题后,消费者的使用场景越重大,苹果的错误带来的后果越严重,而他们苹果公司既不会承认问题,也不会解决问题,连基本的态度都没有。这样的公司生产的产品玩儿玩儿还行,不堪大用。

  无独有偶,EDN小编发现点赞排名靠前的大部分都在吐槽 不“抗冻”。

  当然 iPhone 的问题比较极端,主要还是因为电池保护程序的设定问题,在低于某个温度的时候就会自动关机,如果你仔细看下 iPhone 长长的说明书,里面就会有请在温度介于 0ºC 至 35ºC之间的环境中使用 iOS 设备的建议,自动关机问题最后也导致去年「降速门」的爆发,最后逼得苹果也不得不用低价更换电池的措施来挽回用户。

  

  其实在低温的情况下,不管是 iPhone 还是安卓手机都是会出现问题,只不过 iPhone 的电池容量相对比较小所以会进行自动关机进行保护,而安卓普遍采用了大容量电池,但是一样会出现疯狂跳电的现象,也有部分电池容量小的手机会自动关机。

  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 摄氏度的环境中,另一块放在零下 10 摄氏度的环境中,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,而在零下 10 摄氏度的环境中,电池 4 小时 5 分钟时就耗电完毕,放电量也只有 2716 mAh。

  

  原因就是在于低温会降低的化学反应速率,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 x 电池电压 = 电池能量密度 x 电池体积。

  而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。

  三星怕热,苹果怕冷,智能手机电池真的这么脆弱?

  EDN China小编曾在一篇《锂离子电池安全使用指南》中看到:不要在温度过高或过低(低于零度)的环境中充电,温度过高容易引起电池过热,而温度过低时,金属锂会在负极表面析出形成锂结晶,锂结晶沉积会刺穿隔膜造成电池内短路(但现在有些电池已经加入了低温环境中阻止充电的技术)。

  目前智能手机所采用的电池多为锂电池,综合Note7/ 7 “爆炸门”,6S“关机门”来看,锂电池真的有这么脆弱吗?

  “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:<-20°C或> 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。

  化学学士,果壳实验室成员“卖口张要做技术青年”表示:

  不考虑手机自身是否存在低温保护功能,单就电池性能而言,温度过低确实会导致电池放电困难,从而导致手机关机。

  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)。如前面答主@红色荒漠 所说,“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。

  

  苹果不同设备推荐使用温度

  如何与“锂电池”愉快地玩耍?

  1、使用手机生产商提供的原配电池,不要因贪图便宜而使用不知名的厂商生产的电池;

  2、不要在温度过高或过低(低于零度)的环境中充电,温度过高容易引起电池过热,而温度过低时,金属锂会在负极表面析出形成锂结晶,锂结晶沉积会刺穿隔膜造成电池内短路(但现在有些电池已经加入了低温环境中阻止充电的技术);

  3、如果你需要在充电时使用某些容易使手机发热的功能,或彻夜充电,那么最好摘掉手机套,以保证电池正常散热;

  4、保持手机有一半以上的电量对延长电池寿命很有帮助,因为锂离子电池在低电压下容易受损;

  5、注意充电环境,尽量不要在易燃物附近、车内或安全通道内充电;

  6、低温环境中,尽量维持电池温度在工作温度范围内,如长时间把手机窝在温暖的口袋里。(有人问过加棉或者绒的保暖套管不管用——这些保暖装备的根本原理都只是尽量隔热,减缓手机温度降低,最终还是能降到自动关机的程度。Ps.试试给你的手机贴个暖宝宝。)



关键词: 锂电池 iphone

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