為什么到了冬天，電池也跟你一樣“怕冷”？

出品：科普中國(guó)

作者: 海里的咸魚

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

一轉(zhuǎn)眼又到冬天了。雖說(shuō)北方的室內(nèi)有暖氣，暖和到每天都想吃雪糕的那種程度，但出門時(shí)面臨著40度左右的溫差，不免還是有點(diǎn)犯怵。

兜里的智能手機(jī)要是真“智能手機(jī)”的話，那它一定也不想出門挨凍（確信）。為什么呢，因?yàn)槭謾C(jī)的“生命條”電量，在這個(gè)季節(jié)總是以驚人的速度下降。

這個(gè)季節(jié)，有一樣?xùn)|西打折非常果斷——電池的續(xù)航。北方冬天的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，可能只有夏天的7折不到了。手機(jī)的掉電速度也不逞多讓。

網(wǎng)絡(luò)上有一段生動(dòng)的描寫：大冬天有急事要出門，拿起手機(jī)一看，還有50+的電量，放心出門，到達(dá)目的地拿起手機(jī)一看，剛才還是綠色的電池圖標(biāo)不知何時(shí)變成了紅色的20。你驚訝地盯了一下，它又當(dāng)著你的面變成了1%。你大驚失色，對(duì)著手機(jī)又是哈氣又是搓手，卻依然阻止不了手機(jī)逐漸變冷的身體……

難道我們就要眼睜睜看著手機(jī)的電量在大冷天里一點(diǎn)點(diǎn)耗盡嗎！在討論對(duì)策之前，我們先看看，電池的“掉電困境”是怎么形成的。

一、寒冬下的鋰電池續(xù)航困境

電池，生活中不可缺少的東西。在不能被有線傳輸?shù)碾娏W(wǎng)絡(luò)覆蓋的每一個(gè)地方，都有電池的身影。在手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)中，基本會(huì)用到可以反復(fù)充電使用的鋰離子電池。目前，電動(dòng)汽車的發(fā)展勢(shì)頭良好，電動(dòng)汽車的核心組件也是一種大型鋰離子電池，它的性能優(yōu)劣直接決定了汽車能跑多快、跑多遠(yuǎn)。

電動(dòng)汽車現(xiàn)在能夠“卷土重來(lái)”，鋰電池功不可沒(méi)。為什么說(shuō)電動(dòng)汽車是卷土重來(lái)呢？電動(dòng)汽車可是祖上曾經(jīng)闊過(guò)。

電動(dòng)汽車的歷史最早可追溯到1834年，相比于內(nèi)燃機(jī)汽車早了半個(gè)多世紀(jì)。19世紀(jì)末20世紀(jì)初的時(shí)候，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家普遍流行電動(dòng)汽車，美國(guó)市場(chǎng)電動(dòng)汽車的占有率比內(nèi)燃機(jī)汽車高出了16%。不禁令人感嘆，真的滿大街都是電動(dòng)汽車啊。

圖中是世界上第一輛速度到達(dá)100km/h以上的汽車（沒(méi)錯(cuò)，它是一輛電動(dòng)汽車）。這輛車在1899年創(chuàng)下了105.882km/h的速度紀(jì)錄

（圖片來(lái)源：維基百科）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)越來(lái)越廣泛，人們的活動(dòng)范圍越發(fā)的擴(kuò)大，人們對(duì)于汽車的續(xù)航里程要求越來(lái)越高。再加上石油開采提煉技術(shù)以及內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)論是使用成本、續(xù)航里程還是價(jià)格及性能上，燃油汽車都變得更加具有優(yōu)勢(shì)。從此時(shí)開始電動(dòng)汽車的熱度慢慢衰退，漸漸淡出了人們的視線。

二、低溫造成的幾大挑戰(zhàn)

現(xiàn)在的電動(dòng)汽車已經(jīng)能夠有足夠長(zhǎng)的續(xù)航里程，理論續(xù)航里程能達(dá)到六七百公里。但在冬天，電動(dòng)汽車跑個(gè)兩三百公里可能就沒(méi)電了，充電速度也沒(méi)有平時(shí)快。電車的續(xù)航這塊短板看來(lái)補(bǔ)的還是不夠長(zhǎng)。

問(wèn)題出在哪？原來(lái)是出在溫度太低，電池“內(nèi)耗”了。

探究電池內(nèi)耗原因之前，先了解一下電池的工作原理。

電池主要有這幾個(gè)主要組成部分：負(fù)極(多數(shù)拿石墨做負(fù)極)、正極(以磷酸鐵鋰為例)、隔膜(鋰離子可以通過(guò)、電子不行)、電池的外殼。

（圖片來(lái)源：作者自制）

當(dāng)鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子會(huì)從正極的磷酸鐵鋰中脫出，在電解質(zhì)溶液中移動(dòng)到達(dá)負(fù)極，嵌入石墨中。負(fù)極的石墨會(huì)吸收從正極跑過(guò)來(lái)的鋰離子以及通過(guò)電線移動(dòng)過(guò)來(lái)的電子。放電時(shí)，儲(chǔ)存在石墨中的鋰離子又跑出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解液穿過(guò)隔膜回到正極。電子沒(méi)辦法通過(guò)隔膜，只能從外部導(dǎo)線回到正極。這一動(dòng)作使得導(dǎo)線中產(chǎn)生電流,帶動(dòng)電器工作。

低溫會(huì)如何影響鋰離子電池的工作呢?電池的材料和運(yùn)作過(guò)程均會(huì)受到低溫環(huán)境的影響。就像冬天長(zhǎng)時(shí)間暴露在外的手指會(huì)變得不靈活一樣，電池中的材料也會(huì)這樣。低溫環(huán)境下離子脫出、嵌入材料變得不容易了，穿過(guò)隔膜也更困難，離子的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)降低。

低溫放電時(shí)，鋰離子嵌入正極電極材料的速度變慢，前邊的鋰離子還沒(méi)來(lái)得及嵌入材料中去，后邊的鋰離子就到了。鋰離子們開始堵車，電極材料的表面堆積的大量鋰離子，會(huì)導(dǎo)致鈍化層的產(chǎn)生速度加快（業(yè)界稱為SEI膜，這層膜會(huì)使得鋰離子嵌入電極的速度減慢），這樣一來(lái)嵌入難度就更大了。宏觀表現(xiàn)就是電池內(nèi)阻變大，電池開始“內(nèi)耗”，向外輸出的電量就變小了。

低溫充電時(shí)，鋰離子向著石墨負(fù)極遷移，但是鋰離子嵌入石墨中的速度也降低了，而電子卻能通過(guò)導(dǎo)線歡快地到達(dá)負(fù)極。電子在負(fù)極表面碰到鋰離子就會(huì)生成金屬鋰形成鋰枝晶，鋰枝晶一旦長(zhǎng)大就會(huì)刺破隔膜，造成電池短路，發(fā)生故障。

顯微鏡下的鋰枝晶

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)）

三、只要思想不滑坡，辦法總比困難多

鋰電池低溫性能短板，可是一眾科研界大佬的“眼中釘肉中刺”啊，電池領(lǐng)域都快把元素周期表探索完了，區(qū)區(qū)一個(gè)低溫就能把人給難住嘍？科研人員在研究中有了克服困難的思路——目前，補(bǔ)齊這個(gè)短板可以從下面三條路入手。

第一條：換材料?？梢該Q材料加工方式，換電池制作工藝。

低溫環(huán)境下導(dǎo)致電池放電性能下降的原因是電池內(nèi)部阻抗太大，通過(guò)更換新的電解質(zhì)材料、電極材料，盡可能的降低低溫情況下的電池內(nèi)部阻抗，從而提升電池的低溫性能。

第二條：內(nèi)預(yù)熱。人在覺得冷的時(shí)候靠自己跺腳、搓手來(lái)產(chǎn)生熱量，電池也可以這樣干。

這條技術(shù)路線稱為內(nèi)部預(yù)熱。在制造電池時(shí)，制造商會(huì)在電池結(jié)構(gòu)中加上一片薄鎳箔，并在上面覆蓋有電絕緣聚合物（防止薄鎳箔導(dǎo)致電池短路）。一旦電池溫度過(guò)低，控制器會(huì)強(qiáng)制電流通過(guò)鎳箔，產(chǎn)生大量的熱能來(lái)迅速加熱電池材料。讓電池始終在比較良好的工作溫度范圍內(nèi)放電。

要是想在低溫情況下充電，充電設(shè)備會(huì)先給電池進(jìn)行小功率充電，利用充電時(shí)電池本身產(chǎn)生的熱量來(lái)預(yù)熱電池，等到電池溫度上升到一個(gè)合適的范圍再進(jìn)行大功率快速充電。

第三條：外加熱?？梢越o電池加裝預(yù)熱設(shè)備(好比給人提供暖氣、電熱爐)。

電池先對(duì)預(yù)熱器件進(jìn)行小功率的供電，預(yù)熱器件發(fā)熱使電池溫度上升，等到達(dá)合適的工作溫度后，電池才進(jìn)入正常工作狀態(tài)。部分電動(dòng)汽車配備了電池預(yù)熱功能，冬天在使用汽車前對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱，才能使汽車進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。

電池預(yù)熱的方法

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)）

四、低溫鋰電池，未來(lái)可期

最近，國(guó)內(nèi)首條采用磷酸鐵鋰電池的寒地電推船“領(lǐng)航一號(hào)”在松花江的某條支流成功下水，它能夠克服零下三十度的低溫。

“領(lǐng)航一號(hào)”寒地電推船

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)）

低溫電池的性能短板，正在被一步步補(bǔ)齊。說(shuō)不定過(guò)幾年就能有電動(dòng)汽車在北極科考站馳騁了，到那時(shí)候，能在北極這種“怪物級(jí)別”通關(guān)的電池，再回我們?nèi)粘Ｊ褂铆h(huán)境這種“新手村”肯定就能穩(wěn)定發(fā)揮啦。

編輯：郭雅欣

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