É física de baterias de lítio, sim, mas tem um detalhe: a queda de capacidade no frio não é um dano permanente, mas uma perda temporária de desempenho. Assim que o telefone esquenta em casa, a bateria "recupera" a maior parte da carga. É por isso que o iPhone no congelante mostra 20% e desliga, e depois você o liga em um ambiente aquecido - e de repente aparece 40%.
Mas aí tem um ponto importante. Temperaturas negativas congelam o eletrólito dentro da bateria, a viscosidade aumenta, os íons se movem mais lentamente, a resistência interna da bateria cai drasticamente. No frio, ela fisicamente não consegue entregar uma corrente da intensidade necessária - aí é que ela fraqueja em uma hora. Se você expor a bateria regularmente a ciclos de descarga profunda no congelante (quando o telefone desliga porque ele "acha" que morreu), isso vai causar dano real com o tempo. Uma ou duas caminhadas no frio - não é problema, mas se for todo dia - pelo contrário, a bateria degrada mais rápido.
Dica prática: se você passa muito tempo no frio, guarda o telefone debaixo do casaco perto do corpo ou em uma capa térmica. E não espera a bateria cair a zero no congelante - é melhor sair de casa com 30% do que matar ela na rua.