低温对于锂电池有什么影响?兼谈锂电池的日常养护

低温对于锂电池有什么影响?兼谈锂电池的日常养护

前文(如何正确理解苹果“降速门”中降速的意思?到底降了多少呢?)我们讨论了苹果降速门中事件的起因:低温下iPhone忽然关机的问题。实际上,锂(离子)电池在低温下不仅仅给苹果造成了麻烦,曾经三星的手机也因为低温下充不进去电而被诟病。我老婆的老iPad,在这个冬天充电达到满充后会忽然断电,插入充电器也无法开机,只有在暖气上烤上一阵后才会恢复工作,被我女儿誉为最”贵气“的电子设备。

本文就重点讨论下温度,尤其是低温对锂电池的影响,并对锂电池使用的误区做一些厘清。本文不科普电池的基本原理和发展历史,有兴趣的请Google,这里头有很多有趣的故事。我们先来看一组概念。

能量密度

锂电池容量的单位一般为“mAh”(毫安时)或“Ah”(安时),在使用时又有额定容量和实际容量的区别。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。在应用的时候,能量密度这个指标比容量更具有指标意义。容量不够,做大一点即可,而能量密度的提高则需要技术的进步。

锂电池的发展在经历一个快速期后,近些年进入一个缓慢增长期。例如三星每年平均提高6.5%的能量密度,远远落后于半导体产业的摩尔定律:

手机的锂电池能量密度已经相当的高:

锂电池的使用条件

如此高能量密度的锂电池,它的使用要非常小心。稍有不慎,轻则影响寿命,重则可能爆炸起火,例如三星的电池门。在所有的使用条件中,电压和温度是两个最重要的相关条件,如下图:

横轴是电压,纵轴是温度,可以看到在这个象限中,大片标明了各种可怕后果的红色不宜警告中,只有中间短短一小块安全区域。它才是锂电池的舒适区,脱离它都会造成风险:

  • 高电压和低电压:

锂离子电池的电压,有开路电压和工作电压,这里不再细述。开路电压通常被定义为3.7V,但是全新的电池充饱后,能够达到4.2V;锂电池在达到3.4V后就可以说没电了,实际上3.0V才真正被称作完全没电。锂电池的放点曲线图:

高于4.2V和低于3.4V都会对锂电池寿命产生影响。高于4.2V被称为过充,会对电池寿命产生不可逆影响,严重的会造成thermal runaway(热失控),可能引起涨泡、漏液、起火爆炸等。

锂离子电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。日历寿命运算复杂和应用场景关联紧密,故一般使用循环寿命(Cycle Life),以次数为单位,表征电池可以循环充放电的次数。现在一般的电池循环寿命是数百次不等。国标300次。

低于2.0V被成为过放,会严重影响电池寿命。

  • 高低温度:

高温和低温都会影响电池寿命,如图:

低温造成电池单元Cell电解液凝滞内阻降低,并可能在阴极形成锂凝结,不可逆的影响电池寿命。高温则可能引发爆炸等thermal runaway。十分危险。

低温造成的影响

低温会让充电困难和危险,故充电需要遵照JEITA:

同时低温下放电十分迅速:

锂电池的保护

所有的锂电池都带有自我保护电路。一个最简单的保护电路至少需要包含以下这些要素:

Protection IC: 带有双向充电和放电保护,在过充或者过放时断开电路,以策安全。

Fuse: 在紧急时刻熔断电流,是最后一道保险。

结论

低温下使用锂电池,无论充电或者放电都性能不佳,而且有可能对寿命造成影响,还是应该避免。下面是一些锂电池使用中的大众说法,我们来一一鉴别一下:

  1. 第一次使用要满充满放三次,以激活锂电池。错误,锂电池没有记忆效应,不需要激活。
  2. 最好用完光再充电。错误,循环寿命并不是庸俗的充电次数,而是一次整体Cycle,即将电池电量用光然后再充满的过程,而不是插上充电器再拔掉就算1次。可以随用随充。如果用光再冲,放置过久还可能导致过放,影响电池寿命。
  3. 不要一直充电,冲好了就拔下来。小部分正确,大部分错误。一般的手机在充电时并不是简单的恒定电压充电,而是为了延长电池寿命,有优化的充电算法,包括CC, CV和MC等等。在判断冲饱后并不会一直不停地冲,完全不用担心,可以一直插着电源用。部分山寨和低价设备由于缺少充电管理设备,建议充好即止。
  4. 闲置手机要及时充电。正确。锂电池放置不用,电力也会悄悄流逝,在低于2.0V后会过放,严重影响电池寿命。最好定时充电。

其他

最后是上期(如何正确理解苹果“降速门”中降速的意思?到底降了多少呢?)最后的问题:

为什么苹果会爆出来降频问题,而其他手机厂商并没有?电池不是都要老化吗?

这里是我的一些思考(很难说是答案,答案在大家心中)。首先是事实:

  1. 锂电池随着循环周期次数的增多,其能够提供的峰值开路电压在缓慢下降,也就是说冲饱后电压下降了。能提供的峰值电流也会下降。
  2. 峰值电流下降到某个程度就不能提供手机峰值功耗所需的电能。
  3. 低温会导致问题严重很多。包括起始电压下降,放电曲线陡峭等等。

所以这是个业内普遍问题。那为什么仅仅苹果公司会被迫降频呢?我认为是苹果公司手机比较稳定,很难出现死机等问题;同时用户基数大,各代手机都在用,我老婆还有个iPhone4还可以拿来玩游戏;苹果公司不得不支持长尾用户。而普通安卓手机,在老化后各种问题频出,例如三星原来就有闪存门(其实很多安卓手机都有类似问题,我就不点名了),用上一年后经常死机,谁也不知道为啥死了(据我所知,某手机也有电池老化问题,只不过选择忽略)。

其实电池充电还有很多有趣的问题和算法,如CC、CV和MC等等,还有最新出现的快速充电标准。我不确定大家都爱看不爱看,如果你爱看,请在评论区留言,谢谢!

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编辑于 2018-01-20

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    从首次运用于Intel 安腾处理器,到第一版统一的可扩展固件接口(UEFI)规范出版,无论是在高性能服务器,移动设备或是深度嵌入式设备等,UEFI已在所有平台完全淘汰了BIOS。这里有关于UEFI的一切。