为什么手机的电池越来越不耐用了？

电池迷

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任务小子

　　大家有没有发现

　　现在手机的电量越来越不耐用

　　彷佛手机电池随着时间的推移

　　变得越来越弱了

　　这是由多种原因造成的

　　先来看看我们今天用的电池

　　是怎么发展过来的

　　（1）

　　镍镉电池

　　1973年，世界上第一部手机在摩托罗拉实验室诞生。这一款手机非常笨重，但是得益于手机内置的镍镉电池，这部手机能够脱离繁杂的电子线路，实现实时的移动通话。在上个世纪流行的“大哥大电话”同样采用的是镍镉电池。

　　虽然这种电池能够支持事实通话，但本身较为笨重。并且镍镉电池还具有非常明显的记忆效应：如果在充电之前电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低。

　　（2）

　　镍氢电池

　　1990年，日本索尼公司最早研发出了镍氢电池。小巧的移动手机得以流行。然而，镍氢电池仍然存在记忆效应，仍然需要完全放电后再充电。当时的手机只能支持较为简单的任务，如拨打电话，发信息等。

　　（3）

　　锂离子电池

　　1982年，就职于日本旭化成公司的吉野·彰采用钴酸锂作为正极，聚乙炔（C2H2）n作为负极构建了锂离子电池的样品。在钴酸锂电池的放电过程中，锂离子从电池正极通过电解液迁移至钴酸锂中，实现电池放电。但是，钴酸锂电池仍然存在许多问题。电池的负极聚乙炔的能量密度低，并且稳定性也较低。

　　1985年，吉野·彰采用了一种新型类石墨材料”soft carbon”代替聚乙炔作为电池的负极材料，成功制备了第一块锂离子电池原型，并申请了专利。由吉野·彰设计的锂离子电池原型成为许多现代电池的雏形。

　　与锂电池相比，吉野·彰设计的以碳质材料为负极，钴酸锂为正极的原电池摆脱了金属锂，因此这一类电池也被称为“锂离子电池”。

　　锂离子电池的出现彻底改变了我们的生活方式。与镍镉电池和镍氢电池相比，锂离子电池的能量密度更高，相同电池容量的锂离子电池更为便携，能够支撑集成丰富功能的智能手机的高功耗。同时，大部分的锂离子电池没有记忆效应，不需要完全放电后再充电，因此锂离子电池能够实现随需随充。

　　由锂离子电池组成的模块

　　（1）

　　过度充放电导致寿命衰减

　　钴酸锂拥有较高的理论电容量，但是我们在使用过程中钴酸锂的实际容量远达不到理论容量。因为我们在对锂离子电池进行超过了这个容量后的充放电后，钴酸锂就会发生不可逆充放电过程，也就是我们常说的电池过充电或过放电。这个过程中伴随了钴酸锂的结构相变，使电池的容量降低。

　　图源/@中科院物理所

　　当电池发生过充电时，锂离子电池负极钴酸锂脱出大量锂离子，剩下的锂离子不足以支撑起钴酸锂原本的结构，导致Li1-xCoO?晶体由六方晶系向单斜晶系转变，原本的六方结构缺少离子支撑而崩塌。在这个过程中，钴酸锂相变并非完全可逆，钴酸锂的晶胞参数发生变化、应力变化、锂离子空位被压缩导致锂离子电池容量衰减。

　　（2）

　　高电压导致电池产生副反应

　　目前，市场上的智能手机通常采用的是4.4V左右的充放电电压。高电压能够提高锂离子电池的容量，加快锂离子电池的充放电速率。但是随之而来的就是锂离子电池电极表面的副反应的增大，电解液在高电压下的不稳定等一系列副作用。

　　锂离子电池电解液在与正负极的固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极表面的钝化层。这种钝化层具有固体电解质的特征，Li离子可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出，因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”（solid electrolyte interface），简称SEI膜。形成SEI膜的过程会消耗部分锂离子，使锂离子电池容量发生不可逆损耗。在高电压的作用下，这类电极表面的副反应严重，使电池容量逐渐下降。