一轉眼天氣又冷了，雖說(shuō)北方的室內有暖氣，暖和到每天都想吃雪糕的那種程度，但出門(mén)時(shí)面臨著(zhù)40度左右的溫差，不免還是有點(diǎn)犯怵。
兜里的智能手機要是真智能手機的話(huà)，那它一定也不想出門(mén)挨凍。為什么呢？因為手機的生命條電量，在這個(gè)季節總是以驚人的速度下降。
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這個(gè)季節，有一樣東西打折非常果斷——電池的續航。北方冬天的電動(dòng)汽車(chē)續航里程，可能只有夏天的7折不到了。手機的掉電速度也不逞多讓。
網(wǎng)絡(luò )上有一段生動(dòng)的描寫(xiě)：大冬天有急事要出門(mén)，拿起手機一看，還有50 的電量，放心出門(mén)，到達目的地拿起手機一看，剛才還是綠色的電池圖標不知何時(shí)變成了紅色的20%。你驚訝地盯了一下，它又當著(zhù)你的面變成了1%。你大驚失色，對著(zhù)手機又是哈氣又是搓手，卻依然阻止不了手機逐漸變冷的身體……
難道我們就要眼睜睜看著(zhù)手機的電量在大冷天里一點(diǎn)點(diǎn)耗盡嗎？在討論對策之前，我們先看看，電池的掉電困境是怎么形成的。
寒冬下的鋰電池續航困境
電池，生活中不可缺少的東西。在不能被有線(xiàn)傳輸的電力網(wǎng)絡(luò )覆蓋的每一個(gè)地方，都有電池的身影。在手機、筆記本電腦、數碼相機中，基本會(huì )用到可以反復充電使用的鋰離子電池。目前，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展勢頭良好，電動(dòng)汽車(chē)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(chē)能跑多快、跑多遠。
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電動(dòng)汽車(chē)現在能夠卷土重來(lái)，鋰電池功不可沒(méi)。為什么說(shuō)電動(dòng)汽車(chē)是卷土重來(lái)呢？電動(dòng)汽車(chē)可是祖上曾經(jīng)闊過(guò)。
電動(dòng)汽車(chē)的歷史最早可追溯到1834年，相比于內燃機汽車(chē)早了半個(gè)多世紀。19世紀末20世紀初的時(shí)候，歐美等發(fā)達國家普遍流行電動(dòng)汽車(chē)，美國市場(chǎng)電動(dòng)汽車(chē)的占有率比內燃機汽車(chē)高出了16%。不禁令人感嘆，真的滿(mǎn)大街都是電動(dòng)汽車(chē)啊！
隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，公路網(wǎng)絡(luò )建設越來(lái)越廣泛，人們的活動(dòng)范圍越發(fā)的擴大，人們對于汽車(chē)的續航里程要求越來(lái)越高。再加上石油開(kāi)采提煉技術(shù)以及內燃機技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)論是使用成本、續航里程還是價(jià)格及性能上，燃油汽車(chē)都變得更加具有優(yōu)勢。從此時(shí)開(kāi)始電動(dòng)汽車(chē)的熱度慢慢衰退，漸漸淡出了人們的視線(xiàn)。
低溫造成的幾大挑戰
現在的電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)能夠有足夠長(cháng)的續航里程，理論續航里程能達到六七百公里。但在冬天，電動(dòng)汽車(chē)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(chē)的續航這塊短板看來(lái)補的還是不夠長(cháng)。
問(wèn)題出在哪？原來(lái)是出在溫度太低，電池內耗了。
探究電池內耗原因之前，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：負極(多數拿石墨做負極)、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。
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當鋰離子電池充電時(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)到達負極，嵌入石墨中。負極的石墨會(huì )吸收從正極跑過(guò)來(lái)的鋰離子以及通過(guò)電線(xiàn)移動(dòng)過(guò)來(lái)的電子。放電時(shí)，儲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，只能從外部導線(xiàn)回到正極。這一動(dòng)作使得導線(xiàn)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?電池的材料和運作過(guò)程均會(huì )受到低溫環(huán)境的影響。就像冬天長(cháng)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，離子的運動(dòng)速度也會(huì )降低。
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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(kāi)始堵車(chē)，電極材料的表面堆積的大量鋰離子，會(huì )導致鈍化層的產(chǎn)生速度加快（業(yè)界稱(chēng)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(guān)表現就是電池內阻變大，電池開(kāi)始內耗，向外輸出的電量就變小了。
低溫充電時(shí)，鋰離子向著(zhù)石墨負極遷移，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)導線(xiàn)歡快地到達負極。電子在負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(cháng)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
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，區區一個(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)境下導致電池放電性能下降的原因是電池內部阻抗太大，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部阻抗，從而提升電池的低溫性能。
第二條：內預熱。人在覺(jué)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。
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這條技術(shù)路線(xiàn)稱(chēng)為內部預熱。在制造電池時(shí)，制造商會(huì )在電池結構中加上一片薄鎳箔，并在上面覆蓋有電絕緣聚合物（防止薄鎳箔導致電池短路）。一旦電池溫度過(guò)低，控制器會(huì )強制電流通過(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放電。
要是想在低溫情況下充電，充電設備會(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電池加裝預熱設備(好比給人提供暖氣、電熱爐)。
電池先對預熱器件進(jìn)行小功率的供電，預熱器件發(fā)熱使電池溫度上升，等到達合適的工作溫度后，電池才進(jìn)入正常工作狀態(tài)。部分電動(dòng)汽車(chē)配備了電池預熱功能，冬天在使用汽車(chē)前對電池進(jìn)行預熱，才能使汽車(chē)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。
電池預熱的方法。圖片來(lái)源：參考文獻
低溫鋰電池
未來(lái)可期
最近，國內首條采用磷酸鐵鋰電池的寒地電推船領(lǐng)航一號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)航一號寒地電推船。圖片來(lái)源：中國科學(xué)報
低溫電池的性能短板，正在被一步步補齊。說(shuō)不定過(guò)幾年就能有電動(dòng)汽車(chē)在北極科考站馳騁了，到那時(shí)候，能在北極這種怪物級別通關(guān)的電池，再回我們日常使用環(huán)境這種新手村肯定就能穩定發(fā)揮啦！
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出品｜科普中國
作者｜海里的咸魚(yú)
監制｜中國科普博覽
選送單位：中國科學(xué)院計算機信息網(wǎng)絡(luò )中心
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