在当今科技飞速发展的时代,电池作为众多电子设备和电动汽车的核心部件,其性能和寿命至关重要。而温度,正是贯穿电池整个生命周期、对其产生重大影响的关键因素。
锂离子电池通过锂原子在两极(电极)之间的移动来存储能量。充电时,锂原子从正极移向负极;放电时,反向移动并释放能量,就如同滑板在山坡上下滚动。然而,这一过程并非完全高效,诸多因素会影响电池的能量输出,其中温度的影响尤为关键,且对不同电池类型的影响各异。
一、低温对锂电池的影响
传统锂离子电池中,锂原子通过接触两个电极的液体电解质移动,这种电解质优化了锂离子的移动。但在低温(通常低于 0°C)下,情况却大不相同。电池电阻会增加,限制其所能提供的功率,锁住部分储存能量。这就好比温度低时,冰淇淋变得难以咬动。同时,寒冷的电池无法快速充电,因为石墨晶格间距受低温影响变小,冷却的负极石墨无法快速吸收锂,导致锂在石墨表面沉积,可能形成枝晶。当温度低于临界点时,液体电解质冻结,锂离子停止移动,电池停止工作。如苹果 iPhone 6 和 6S 曾在低温下自动关机,就是因为手机在低温环境下内阻过大,触发系统自动关机判断机制。低温会明显缩短锂电池的续航能力,降低其使用寿命,因为在低温下电池的可用容量减少,且频繁的低温使用可能导致电池内部结构受损。
二、高温对锂电池的影响
有人或许会问,既然加热电池能降低电阻,那更高温度是否能提升电池性能呢?答案是否定的。高温也存在负面效应。例如,液体电解质与正负极材料反应性高,温度升高时反应加剧,消耗锂,减少电池总能量。同时,在电极表面生成的 “垃圾” 会增加电池电阻,就像滑板在布满碎石的路上前进。而且,随着温度升高,反应数量急剧增加,产生更多 “垃圾”,缩短电池寿命。更为严重的是,传统锂离子电池中的液态电解质和聚合物隔膜极易燃,温度超过临界点,电池会进入热失控状态,可能导致自燃和爆炸,这是现代电动汽车的主要安全风险之一,因此需要更复杂、庞大且昂贵的热管理系统。高温会加速电池内部的化学反应,使电池老化速度加快,极大地影响其使用寿命。
三、温度平衡的艺术及延长锂电池使用寿命的方法
鉴于这些挑战,传统锂离子电池必须在不同温度下找到平衡。温度过低,电阻高、能量少,电解质甚至可能冻结;温度过高,电极充满 “垃圾”,电池永久性失去容量。所以,传统锂离子电池只有在一定温度窗口内才能有效工作,这限制了其在现实世界中的应用。
要延长锂电池的使用寿命,可以从以下几个方面入手:首先,避免在极端温度下使用电池,尤其是高温和低温环境。在寒冷天气中,可以为设备采取适当的保暖措施,如使用保温套等;在高温环境下,尽量避免将设备暴露在阳光下或放置在高温处。其次,合理控制充电和放电深度,避免过度充电和过度放电。再者,选择合适的充电器,避免使用劣质充电器对电池造成损害。
四、降低电池温度的方法
为了降低电池温度,可以采取以下方法:一是通过散热设计,如在设备中增加散热片、通风孔等,促进空气流通,带走热量。二是使用散热材料,如导热硅胶等,提高热量传导效率。三是在充电和使用过程中,避免同时进行高负荷的操作,以减少电池产生的热量。
对于各种形式的电池,材料性能始终受温度影响,温度对电池寿命至关重要,我们必须重视电池的温度管理,以确保其性能和安全,同时通过合理的使用方法和降温措施来延长锂电池的使用寿命。