一轉眼天氣又冷了，雖說北方的室內有暖氣，暖和到每天都想吃雪糕的那種程度，但出門時面臨著40度左右的溫差，不免還是有點犯怵。

兜裡的智慧手機要是真“智慧手機”的話，那它一定也不想出門挨凍。為什麼呢？因為手機的“生命條”電量，在這個季節總是

以驚人的速度下降

。

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這個季節，有一樣東西打折非常果斷——

電池的續航

。北方冬天的電動汽車續航里程，可能只有夏天的7折不到了。手機的掉電速度也不逞多讓。

網路上有一段生動的描寫：大冬天有急事要出門，拿起手機一看，還有50+的電量，放心出門，到達目的地拿起手機一看，剛才還是綠色的電池圖示不知何時變成了

紅色的20%

。你驚訝地盯了一下，它又當著你的面變成了

1%

。你大驚失色，對著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手機的電量在大冷天裡一點點耗盡嗎

？在討論對策之前，我們先看看，電池的“掉電困境”是怎麼形成的。

寒冬下的鋰電池續航困境

電池，生活中不可缺少的東西。在不能被有線傳輸的電力網路覆蓋的每一個地方，都有電池的身影。在手機、膝上型電腦、數碼相機中，基本會用到可以反覆充電使用的鋰離子電池。目前，電動汽車的發展勢頭良好，

電動汽車的核心元件也是一種大型鋰離子電池

，它的效能優劣

直接決定了汽車能跑多快、跑多遠

。

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電動汽車現在能夠“捲土重來”，鋰電池功不可沒。為什麼說電動汽車是捲土重來呢？電動汽車可是祖上曾經闊過。

電動汽車的歷史最早可追溯到1834年，

相比於內燃機汽車早了半個多世紀

。19世紀末20世紀初的時候，歐美等發達國家普遍流行電動汽車，美國市場電動汽車的佔有率比內燃機汽車高出了16%。不禁令人感嘆，

真的滿大街都是電動汽車啊

！

隨著經濟的發展，公路網路建設越來越廣泛，人們的活動範圍越發的擴大，人們對於

汽車的續航里程要求越來越高

。再加上石油開採提煉技術以及內燃機技術的快速發展，無論是

使用成本、續航里程還是價格及效能

上，

燃油汽車

都變得

更加具有優勢

。從此時開始電動汽車的熱度慢慢衰退，漸漸淡出了人們的視線。

低溫造成的幾大挑戰

現在的電動汽車已經

能夠有足夠長的續航里程

，理論續航里程能達到六七百公里。但在冬天，電動汽車跑個兩三百公里可能就沒電了，充電速度也沒有平時快。電車的續航這塊短板看來補的還是不夠長。

問題出在哪？原來是出在

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

（鋰離子可以透過、電子不行）、

電池的外殼

。

圖片來源：作者自制

當鋰離子電池充電時，鋰離子會從正極的磷酸鐵鋰中脫出，在電解質溶液中移動到達負極，嵌入石墨中。負極的石墨會吸收從正極跑過來的鋰離子以及透過電線移動過來的電子。放電時，儲存在石墨中的鋰離子又跑出來，經過電解液穿過隔膜回到正極。電子沒辦法透過隔膜，只能從外部導線回到正極。這一動作使得導線中產生電流，帶動電器工作。

低溫會如何影響鋰離子電池的工作呢？

電池的材料和運作過程均會受到低溫環境的影響

。就像冬天長時間暴露在外的手指會變得不靈活一樣，電池中的材料也會這樣。

低溫環境下離子脫出、嵌入材料變得不容易了，穿過隔膜也更困難，離子的運動速度也會降低

。

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低溫放電

時，鋰離子嵌入正極電極材料的速度變慢，前邊的鋰離子還沒來得及嵌入材料中去，後邊的鋰離子就到了。鋰離子們開始堵車，電極材料的表面堆積的大量鋰離子，會導致鈍化層的產生速度加快（業界稱為SEI膜，這層膜會使得鋰離子嵌入電極的速度減慢），這樣一來嵌入難度就更大了。宏觀表現就是

電池內阻變大，電池開始“內耗”，向外輸出的電量就變小

了。

低溫充電

時，鋰離子向著石墨負極遷移，但是鋰離子嵌入石墨中的速度也降低了，而電子卻能透過導線歡快地到達負極。電子在負極表面碰到鋰離子就會生成金屬鋰形成鋰枝晶，

鋰枝晶一旦長大就會刺破隔膜，造成電池短路，發生故障

。

顯微鏡下的鋰枝晶。圖片來源：參考文獻

只要思想不滑坡

辦法總比困難多

鋰電池低溫效能短板

，可是一眾科研界大佬的“眼中釘肉中刺”啊，電池領域都快把元素週期表探索完了，區區一個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，補齊這個短板可以從下面三條路入手。

第一條：

換材料

。可以換材料加工方式，換電池製作工藝。

低溫環境下導致電池放電效能下降的原因是

電池內部阻抗太大

，透過

更換新的電解質材料、電極材料

，儘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效能。

第二條：

內預熱

。人在覺得冷的時候靠自己跺腳、搓手來產生熱量，電池也可以這樣幹。

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這條技術路線稱為

內部預熱

。在製造電池時，製造商會在電池結構中加上一片

薄鎳箔

，並在上面覆蓋有

電絕緣聚合物

（防止薄鎳箔導致電池短路）。一旦電池溫度過低，控制器會強制電流透過鎳箔，產生大量的熱能來迅速加熱電池材料。讓電池始終在比較良好的工作溫度範圍內放電。

要是想在

低溫情況下充電

，充電裝置會先給電池進行小功率充電，利用充電時電池本身產生的熱量來預熱電池，等到電池溫度上升到一個合適的範圍再進行大功率快速充電。

第三條：

外加熱

。可以給電池加裝

預熱裝置

（好比給人提供暖氣、電熱爐）。

電池先對

預熱器件

進行

小功率的供電

，預熱器件發熱使電池溫度上升，等到達合適的工作溫度後，電池才進入正常工作狀態。部分電動汽車配備了電池預熱功能，冬天在使用汽車前對電池進行預熱，才能使汽車進入正常的工作狀態。

電池預熱的方法。圖片來源：參考文獻

低溫鋰電池

未來可期

最近，國內首條採用磷酸鐵鋰電池的寒地電推船“領航一號”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。

“領航一號”寒地電推船。圖片來源：中國科學報

低溫電池的效能短板，正在被一步步補齊

。說不定過幾年就能有電動汽車在北極科考站馳騁了，到那時候，能在北極這種“怪物級別”通關的電池，再回我們日常使用環境這種“新手村”肯定就能穩定發揮啦！

參考文獻：

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［8］ Battery of tests_ Scientists figure out how to track what happens inside batteries _ Argonne National Laboratory。pdf［J］。

出品｜科普中國

作者｜海里的鹹魚

監製｜中國科普博覽

選送單位：中國科學院計算機資訊網路中心

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