钜大LARGE | 点击量：633次 | 2021年04月13日
你了解什么因素影响锂离子电池的低温性能吗？
低温条件下，锂离子电池的有效放电容量和有效放电能量都会有明显的下降，同时其在低于－10℃的环境下几乎不可充电，这严重制约着锂离子电池的应用。
随着锂离子电池在电动汽车及特种领域应用的迅速发展，其低温性能不能适应特殊低温天气或极端环境的缺点也愈发明显。低温条件下，锂离子电池的有效放电容量和有效放电能量都会有明显的下降，同时其在低于－10℃的环境下几乎不可充电，这严重制约着锂离子电池的应用。
锂离子电池低温性能影响因素
锂离子电池重要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液组成。处于低温环境的锂离子电池存在着放电电压平台下降、放电容量低、容量衰减快、倍率性能差等特点。制约锂离子电池低温性能的因素重要有以下几点：
◆正极结构
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
正极材料的三维结构制约着锂离子的扩散速率，低温下影响尤其明显。锂离子电池的正极材料包括商品化的磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、锰酸锂、钴酸锂等，也包括处于开发阶段的高电压正极材料如镍锰酸锂、磷酸铁锰锂、磷酸钒锂等。
不同正极材料具有不同的三维结构，目前用作电动汽车动力锂电池的正极材料重要是磷酸铁锂、镍钴锰三元材料和锰酸锂。
吴文迪等研究了磷酸亚铁锂离子电池与镍钴锰三元电池在－20℃的放电性能，发现磷酸铁锂离子电池在－20℃的放电容量只能达到常温容量的67.38％，而镍钴锰三元电池能够达到70.1％。杜晓莉等发现锰酸锂离子电池在－20℃的放电容量可以达到常温容量的83％。
◆高熔点溶剂
由于电解液混合溶剂中存在高熔点溶剂，锂离子电池电解液在低温环境下黏度增大，当温度过低时会发生电解液凝固现象，导致锂离子在电解液中传输速率降低。
◆锂离子扩散速率
低温环境下锂离子在石墨负极中的扩散速率降低。向宇系统研究了石墨负极对锂离子电池低温放电性能的影响，提出低温环境下锂离子电池的电荷迁移阻抗增大，导致锂离子在石墨负极中的扩散速率降低是影响锂离子电池低温性能的重要原因。
◆SEI膜
低温环境下，锂离子电池负极的SEI膜增厚，SEI膜阻抗增大导致锂离子在SEI膜中的传导速率降低，最终锂离子电池在低温环境下充放电形成极化降低充放电效率。
总结
目前多因素影响着锂离子电池的低温性能，如正极的结构、锂离子在电池各部分的迁移速率、SEI膜的厚度及化学成分以及电解液中锂盐和溶剂的选择等。
低温性能限制了锂离子电池在电动汽车领域、特种领域及极端环境中的应用，开发低温性能优异的锂离子电池是市场的迫切需求。1、层状结构正极材料的低温特性
层状结构，既拥有一维锂离子扩散通道所不可比拟的倍率性能，又拥有三维通道的结构稳定性，是最早商用的锂离子电池正极材料。其代表性物质有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。
谢晓华等以LiCoO2/MCMB为研究对象，测试了其低温充放电特性。
结果显示，随着温度的降低，其放电平台由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃)；其电池总容量也由78.98mAh(0℃)锐减到68.55mAh(–30℃)。
2、尖晶石结构正极材料的低温特性
尖晶石结构LiMn2O4正极材料，由于不含Co元素，故而具有成本低、无毒性的优势。
然而，Mn价态多变和Mn3+的Jahn-Teller效应，导致该组分存在着结构不稳定和可逆性差等问题。
彭正顺等指出，不同制备方法对LiMn2O4正极材料的电化学性能影响较大，以Rct为例：高温固相法合成的LiMn2O4的Rct明显高于溶胶凝胶法合成的，且这一现象在锂离子扩散系数上也有所体现。究其原因，重要是由于不同合成方法对产物结晶度和形貌影响较大。
3、磷酸盐体系正极材料的低温特性
LiFePO4因绝佳的体积稳定性和安全性，和三元材料一起，成为目前动力锂电池正极材料的主体。磷酸铁锂低温性能差重要是因为其材料本身为绝缘体，电子导电率低，锂离子扩散性差，低温下导电性差，使得电池内阻新增，所受极化影响大，电池充放电受阻，因此低温性能不理想。
谷亦杰等在研究低温下LiFePO4的充放电行为时发现，其库伦效率从55℃的100%分别下降到0℃时的96%和–20℃时的64%；放电电压从55℃时的3.11V递减到–20℃时的2.62V。
Xing等利用纳米碳对LiFePO4进行改性，发现，添加纳米碳导电剂后，LiFePO4的电化学性能对温度的敏感性降低，低温性能得到改善；改性后LiFePO4的放电电压从25℃时的3.40V下降到–25℃时的3.09V，降低幅度仅为9.12%；且其在–25℃时电池效率为57.3%，高于不含纳米碳导电剂的53.4%。
