Chicago på vintern är en oförsonlig plats. Vill du röra dig i staden? Har du ingen bil? Förbered dig på att stå på en upphöjd tågperrong i tio minuter och försök att utsätta så lite hud som möjligt för den råa, blåande vinden. Är temperaturen under noll igen? Här finns en svag utomhusvärmelampa på perrongen; var tacksam för den.
Jag befann mig själv på en av dessa perronger, darrande under en av dessa lampor, i lördags (30 december) när temperaturen sjönk till 3 grader Fahrenheit (minus 16 grader Celsius). Jag hade just kommit från lunch, under vilken jag hade kapat ett av restaurangens uttag för att ladda upp min telefon till 100 procent av dess batterikapacitet. Min nästa destination var centrum, i ett område som jag inte kände till, och jag såg till att ha min GPS till hands för vägledning. Ändå hade laddningen redan sjunkit när jag tog upp min enhet ur fickan på den plattformen för att kontrollera min rutt: Uppgiften i det övre högra hörnet av min skärm blinkade rött: ”1 % …1 % …1 % …1 %”. En stund senare var enheten död.
Varför?
Det korta svaret är att batterier är beroende av kemiska reaktioner för att fungera, och frystemperaturer bromsar eller stoppar dessa reaktioner.
Litiumjonbatterier, de vanliga uppladdningsbara batterier som driver en stor del av våra moderna liv och som finns i nästan alla mobiltelefoner, släpper ut elektrisk ström när enskilda litiumjoner rör sig genom lösningen från den ena änden av batteriet (anoden) till den andra änden (katoden). När batteriet töms är alla dessa joner inbäddade i porös grafit i katoden. När det är fulladdat är alla jonerna inbäddade i anoden, enligt Ann Marie Sastry, medgrundare och vd för Sakti3, ett Michiganbaserat nystartat företag inom batteriteknik, som talade med Live Science för en tidigare artikel.
Kemister har ingen bra uppfattning om exakt hur kyla bromsar reaktionerna som äger rum i litiumjonbatterier. ”De exakta mekanismerna som leder till dålig prestanda hos litiumjonbatterier vid kalla temperaturer är fortfarande inte väl förstådda”, skrev ett team av batteriingenjörer i en artikel i Journal of The Electrochemical Society 2011.
Men det är i stort sett sant att extrem kyla bromsar reaktionerna i batterier av alla typer till ett bottennapp.
När min telefons laddningsmätare visade ”1 %” på den där plattformen hade inte alla joner plötsligt hoppat till katoden. Faktum är att kalla temperaturer förhindrar den typ av långsam urladdning som batterijoner gör vid rumstemperaturer, vilket den tekniska webbplatsen Lithiumpros.com förklarar. Men eftersom den bittra kylan hade bromsat eller stoppat reaktionen inne i batteriet laddade det ur mindre ström än vad telefonen behövde för att fortsätta fungera, skrev kemisten Anne Marie Helmenstine, som har en doktorsexamen i biomedicinsk vetenskap och har undervisat i kemi på olika akademiska nivåer, 2017 på thoughtco.com. Telefonen tolkade den svaga urladdningen som ett tecken på att batteriet var nästan dött och stängde av sig själv kort därefter.
Turligtvis försökte jag inte ladda batteriet medan telefonen fortfarande var frusen. Vid mycket kalla temperaturer, som kemisten Stephen J. Harris från Lawrence Berkeley National Laboratory skrev på sin webbplats, kan litiumjonladdningsprocessen misslyckas på ett fruktansvärt sätt. Under normala förhållanden skulle en elektrisk ström till batteriet transportera joner tillbaka in i porerna i anodens grafit. När batteriet är fruset går jonerna dock inte in i grafit. Istället lämnar de lösningen och plattas över grafitens yta som fast litium. Den processen kan förstöra batteriets prestanda och livslängd.
När min telefon blev varm igen visade det sig att den inte behövde laddas ändå; den behövde bara tillräckligt varma temperaturer för att möjliggöra reaktionen. När jag tryckte på strömbrytaren på den nyuppvärmda enheten slogs den på och batterimätaren visade ”94 %”.
Jonerna hade inte gått någonstans. De kunde bara inte röra sig ordentligt i kylan.
Originally published on Live Science.
Recent news