出品：科普中国
(资料图)
作者: 海里的咸鱼
监制：中国科普博览
一转眼又到冬天了。虽说北方的室内有暖气，暖和到每天都想吃雪糕的那种程度，但出门时面临着40度左右的温差，不免还是有点犯怵。
兜里的智能手机要是真“智能手机”的话，那它一定也不想出门挨冻（确信）。为什么呢，因为手机的“生命条”电量，在这个季节总是以惊人的速度下降。
这个季节，有一样东西打折非常果断——电池的续航。北方冬天的电动汽车续航里程，可能只有夏天的7折不到了。手机的掉电速度也不逞多让。
网络上有一段生动的描写：大冬天有急事要出门，拿起手机一看，还有50+的电量，放心出门，到达目的地拿起手机一看，刚才还是绿色的电池图标不知何时变成了红色的20。你惊讶地盯了一下，它又当着你的面变成了1%。你大惊失色，对着手机又是哈气又是搓手，却依然阻止不了手机逐渐变冷的身体……
难道我们就要眼睁睁看着手机的电量在大冷天里一点点耗尽吗！在讨论对策之前，我们先看看，电池的“掉电困境”是怎么形成的。
一、寒冬下的锂电池续航困境
电池，生活中不可缺少的东西。在不能被有线传输的电力网络覆盖的每一个地方，都有电池的身影。在手机、笔记本电脑、数码相机中，基本会用到可以反复充电使用的锂离子电池。目前，电动汽车的发展势头良好，电动汽车的核心组件也是一种大型锂离子电池，它的性能优劣直接决定了汽车能跑多快、跑多远。
电动汽车现在能够“卷土重来”，锂电池功不可没。为什么说电动汽车是卷土重来呢？电动汽车可是祖上曾经阔过。
电动汽车的历史最早可追溯到1834年，相比于内燃机汽车早了半个多世纪。19世纪末20世纪初的时候，欧美等发达国家普遍流行电动汽车，美国市场电动汽车的占有率比内燃机汽车高出了16%。不禁令人感叹，真的满大街都是电动汽车啊。
图中是世界上第一辆速度到达100km/h以上的汽车（没错，它是一辆电动汽车）。这辆车在1899年创下了105.882km/h的速度纪录
（图片来源：维基百科）
随着经济的发展，公路网络建设越来越广泛，人们的活动范围越发的扩大，人们对于汽车的续航里程要求越来越高。再加上石油开采提炼技术以及内燃机技术的快速发展，无论是使用成本、续航里程还是价格及性能上，燃油汽车都变得更加具有优势。从此时开始电动汽车的热度慢慢衰退，渐渐淡出了人们的视线。
二、低温造成的几大挑战
现在的电动汽车已经能够有足够长的续航里程，理论续航里程能达到六七百公里。但在冬天，电动汽车跑个两三百公里可能就没电了，充电速度也没有平时快。电车的续航这块短板看来补的还是不够长。
问题出在哪？原来是出在温度太低，电池“内耗”了。
探究电池内耗原因之前，先了解一下电池的工作原理。
电池主要有这几个主要组成部分：负极(多数拿石墨做负极)、正极(以磷酸铁锂为例)、隔膜(锂离子可以通过、电子不行)、电池的外壳。
（图片来源：作者自制）
当锂离子电池充电时，锂离子会从正极的磷酸铁锂中脱出，在电解质溶液中移动到达负极，嵌入石墨中。负极的石墨会吸收从正极跑过来的锂离子以及通过电线移动过来的电子。放电时，储存在石墨中的锂离子又跑出来，经过电解液穿过隔膜回到正极。电子没办法通过隔膜，只能从外部导线回到正极。这一动作使得导线中产生电流,带动电器工作。
低温会如何影响锂离子电池的工作呢?电池的材料和运作过程均会受到低温环境的影响。就像冬天长时间暴露在外的手指会变得不灵活一样，电池中的材料也会这样。低温环境下离子脱出、嵌入材料变得不容易了，穿过隔膜也更困难，离子的运动速度也会降低。
低温放电时，锂离子嵌入正极电极材料的速度变慢，前边的锂离子还没来得及嵌入材料中去，后边的锂离子就到了。锂离子们开始堵车，电极材料的表面堆积的大量锂离子，会导致钝化层的产生速度加快（业界称为SEI膜，这层膜会使得锂离子嵌入电极的速度减慢），这样一来嵌入难度就更大了。宏观表现就是电池内阻变大，电池开始“内耗”，向外输出的电量就变小了。
低温充电时，锂离子向着石墨负极迁移，但是锂离子嵌入石墨中的速度也降低了，而电子却能通过导线欢快地到达负极。电子在负极表面碰到锂离子就会生成金属锂形成锂枝晶，锂枝晶一旦长大就会刺破隔膜，造成电池短路，发生故障。
显微镜下的锂枝晶
（图片来源：参考文献）
三、只要思想不滑坡，办法总比困难多
锂电池低温性能短板，可是一众科研界大佬的“眼中钉肉中刺”啊，电池领域都快把元素周期表探索完了，区区一个低温就能把人给难住喽？科研人员在研究中有了克服困难的思路——目前，补齐这个短板可以从下面三条路入手。
第一条：换材料。可以换材料加工方式，换电池制作工艺。
低温环境下导致电池放电性能下降的原因是电池内部阻抗太大，通过更换新的电解质材料、电极材料，尽可能的降低低温情况下的电池内部阻抗，从而提升电池的低温性能。
第二条：内预热。人在觉得冷的时候靠自己跺脚、搓手来产生热量，电池也可以这样干。
这条技术路线称为内部预热。在制造电池时，制造商会在电池结构中加上一片薄镍箔，并在上面覆盖有电绝缘聚合物（防止薄镍箔导致电池短路）。一旦电池温度过低，控制器会强制电流通过镍箔，产生大量的热能来迅速加热电池材料。让电池始终在比较良好的工作温度范围内放电。
要是想在低温情况下充电，充电设备会先给电池进行小功率充电，利用充电时电池本身产生的热量来预热电池，等到电池温度上升到一个合适的范围再进行大功率快速充电。
第三条：外加热。可以给电池加装预热设备(好比给人提供暖气、电热炉)。
电池先对预热器件进行小功率的供电，预热器件发热使电池温度上升，等到达合适的工作温度后，电池才进入正常工作状态。部分电动汽车配备了电池预热功能，冬天在使用汽车前对电池进行预热，才能使汽车进入正常的工作状态。
电池预热的方法
（图片来源：参考文献）
四、低温锂电池，未来可期
最近，国内首条采用磷酸铁锂电池的寒地电推船“领航一号”在松花江的某条支流成功下水，它能够克服零下三十度的低温。
“领航一号”寒地电推船
（图片来源：中国科学报）
低温电池的性能短板，正在被一步步补齐。说不定过几年就能有电动汽车在北极科考站驰骋了，到那时候，能在北极这种“怪物级别”通关的电池，再回我们日常使用环境这种“新手村”肯定就能稳定发挥啦。
编辑：郭雅欣
参考文献：
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