為什麼手機冬天容易沒電?原因在鋰電池的「電解液」

冬天來了!如果你身在日本、美國、德國等北方國家,你可能會發現,手機的電量莫名其妙地降低,用沒多久就沒電,這個時候就會想「手機的電池是不是該換了?」;但當你把手機拿到室內「吹暖氣」,它馬上就恢復正常,電力也回來了。為什麼?

答案在電解液。

鋰電池充放電時,鋰離子會通過電解液

鋰電池由正極、負極、電解液、隔膜組成,正極是鈷酸鋰,負極是石墨。電池充放電時,會有外部電路的「外電流」與電池內部的「內電流」;外電流提供手機裝置電力,而內電流負責抵銷外電流造成的正負極電荷變化,以維持電池整體的電中性。鋰電池的內電流是這樣的:

「充電時,鋰離子從正極離開,進入負極的石墨層;放電時,鋰離子從負極釋出,回到正極的鈷酸鋰。」

在充放電的過程中,鋰離子皆必須通過「電解液」。以放電為例,鋰離子會先在石墨層中擴散,通過石墨與電解液的介面,再經過電解液,到達電解液與鈷酸鋰的邊界,最後通過邊界抵達鈷酸鋰,並在鈷酸鋰中擴散,才成功完成整個放電過程。

溫度降低提升電解液粘度,鋰離子移動因而受阻

而「電解液」就是導致手機在低溫下很快就沒電的原因。鋰電池的電解液溶劑是碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate)和碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate)的混合物,它們的熔點分別是:

碳酸乙烯酯:攝氏 34 到 37 度
碳酸二甲酯:攝氏 2 到 4 度

碳酸乙烯酯在室溫是固體的狀態,當氣溫低於 0 度以下,碳酸二甲酯也會變成固體。因此鋰電池在低溫環境下,電解液的粘度會增加。上文提到,鋰電池放電的時候,鋰離子必須通過電解液,若電解液的粘度增加,鋰離子的移動就會受到阻礙。

因此,電解液粘度增加導致了「內電阻」提升,降低電池的端電壓(電池輸出給外部電路的電壓。公式:端電壓 = 開路電壓 – 電流 x 內電阻)。鋰電池的電壓會隨著放電而下降,手機會透過檢測電池電壓,估算電池的剩餘電量。溫度降低,內電阻增加,電池的端電壓就會降低,讓手機「以為」電池快沒電了。

電池儲存的能量不變,但電壓與能量輸出下降

此外,內電阻增加會導致電池內部的能量消耗增加(電池內消耗能量 = 電流 x 內電阻),因此整體輸出的能量降低。在低溫下,電池釋出的電壓與能量都會降低。

但實際上電池儲存的能量不變,只不過溫度降低導致電解液粘度增加,降低了電池電壓和釋出能量。只要把電池放到室溫,它就會恢復正常。

在台灣,就算寒流來,溫度至少也會有 5 到 10 度,因此手機電量下降程度不明顯;但在中高緯度國家,電量下降就會很明顯,如果要把手機帶到低於攝氏 0 度的室外,可以放口袋保溫,確保電池正常運作。

參考資料來源:
1.《中科院物理所》:〈 手机电池在冬天为什么那么不耐用
2.《RICHTEK》:〈Li-ion Battery and Gauge Introduction
3.《Live Science》:〈Why Does Cold Weather Drain Your Phone Battery?
4.《維基百科》:〈 鋰離子電池
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:pxfuel CC Licensed

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