钜大LARGE | 点击量：1006次 | 2021年12月06日
锂离子电池低温性能不断突破 天冷又怎么样
天冷了，原本能量满满的锂离子电池，容量上都要打一个折扣，锂离子电池似乎进入了冬眠状态，这给新能源汽车以及数码产品用户带来不小的烦恼。今天这篇文章关注的话题，就是低温对锂离子电池的影响以及业界的研发进展情况。
锂离子电池最怕是低温？
在美国汽车协会进行的测试中，一辆电动汽车在75华氏度（约合24℃）时的续航里程为105英里（约合169公里），20华氏度（约合7℃）时候就会降至43英里（约合69公里）——下降幅度高达60%。电池与人有几分相似之处，气候转冷后就不那么活跃，蓄电池、锂离子电池和燃料动力锂电池等都会受到低温的影响，只是程度不同而已。
以电动客车上使用最多的磷酸铁锂离子电池为例，这种电池安全性高，单体寿命较长，但低温性能比其他技术体系的电池略差。低温对磷酸铁锂的正负极、电解液和粘接剂等都存在影响。比如，磷酸铁锂正极本身电子导电性比较差，低温环境下容易出现极化，从而降低电池容量；受低温影响，石墨嵌锂速度降低，容易在负极表面析出金属锂，假如充电后搁置时间不足而投入使用，金属锂无法全部再次嵌入石墨内部，部分金属锂持续存在负极的表面，极有可能形成锂枝晶，影响电池安全；低温下，电解液黏度会新增，锂离子迁移阻抗也会随之增大；此外，在磷酸铁锂的生产工艺中，粘接剂也是一个非常关键的因素，低温对粘接剂的性能也会出现较大影响。
同样是锂离子电池，钛酸锂离子电池的耐低温性能则比较优异。尖晶石结构的钛酸锂负极材料嵌锂电位约1.5V，不会形成锂枝晶，在充放电过程中体积应变小于1%。纳米化的钛酸锂离子电池可大电流充放电，实现了低温快充的同时又保障了电池的耐久性和安全性。比如，主打钛酸锂离子电池的银隆新能源，其产品具备在-50-60℃的正常充放电能力。
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%
尽管以石墨为负极的锂离子电池可以在-40℃下放电，但要在-20℃及更低温度下实现常规电流充电则比较困难，这也是业内正在积极探索的一个领域。
业内对耐低温锂离子电池的探索
业内公司及科研机构对电池耐低温性能的探索和攻关，多着眼于对现有正负极材料的工艺改进，以及通过提高电池的局部环境温度为电池在低温下工作创造条件。
现在的电池材料在走向纳米化，材料的粒径、电阻力、AB平面轴长大小三方面会影响电池的低温特性。沃特玛通过三种工艺制备磷酸铁锂材料，采用不同的工艺将其纳米化和进行包覆，结果显示，AB面轴长的增大使锂离子迁移通道变大，这有利于提高电池的倍率性能；从三种工艺生产的材料来看，层间距大的颗粒石墨，本体阻抗和离子迁移阻抗比较小；电解液方面，沃特玛在固定溶剂体系和锂盐基础上，使用低温添加剂，将放电容量从85%提高到90%。据了解，早在2016年底时，沃特玛已经实现-20、-30、-40℃的环境里下，0.5C充电恒流比达62.9%，-20℃实现放电94%。目前，沃特玛的低温电池已经在内蒙古、东北三省等地区大范围推广。
八月三十一日，北京理工大学等科研团队宣布全气候电池产品研发成功。技术人员利用金属丝通电生热的原理，在电芯上加装镍箔片，镍箔片通电出现热量，使电池内部温度升高。达到一定温度后，箔片会自动断开以保障电池安全。据了解，在-30℃的实验环境，应用这项技术的电池，30秒即能快速升温至0℃以上，放电功率提高6倍以上，充电功率则提高10倍以上。该团队相关人员表示，该技术并不改变电池原有结构，且改造成本极低，适用于铅酸电池、锂离子电池等各类电池。据电池我国网了解，采用该技术的全气候电动汽车将于2017年十二月底公布，预计2020年完成4种车型共11辆产品样车的开发，并开始示范运行。
据媒体报道，在九月二十日落幕的2017年“创客我国”新疆创新创业大赛上，中科院新疆理化所博士王磊领衔开发的“全气候锂离子电池”夺得创客组一等奖，这种锂离子电池可在-40℃~60℃的环境中稳定工作。目前，该团队已完成了各种高低温条件下的产品测试工作，即将进入商业化产品生产阶段。
2017年九月十九日，70辆搭载微宏MpCO锂离子电池的12米气电混合动力公交车正式在内蒙古包头上线。该地区最低气温在-30℃以下，最高气温可达39℃，包头选用微宏快充电池系统，正是考虑到微宏快充电池优异的环境适应性。
山东威能是一家专业从事低温磷酸铁锂离子电池的研发、生产的高新技术公司，与中科院化学所合作研发、生产的磷酸铁锂离子电池低温性能实现重大突破，在低温-40℃能够放出额定容量的90%以上。
此外，鹏辉能源的动力锂离子电池可以在-20~60℃的环境中使用，不要加热和冷却系统。桑顿新能源三元耐低温性能有了较大提高，电芯可在-20℃环境下正常放电，可以满足很多整车公司的需求。
为何充电比放电更要温度？
细心的读者可能会发现，许多公司的电池产品能够实现低温下正常放电，但在同样的温度下，实现正常充电就比较吃力，甚至无法充电，为何？
据业内人士解释，Li+嵌入石墨材料时，首先要去溶剂化，这个过程会消耗一定能量，阻碍了Li+扩散到石墨内部；相反，Li+在脱出石墨材料进入到溶液中时，会有一个溶剂化过程，而溶剂化不消耗能量，Li+可以快速脱出石墨。因此，石墨材料的充电接受能力要明显逊色于放电接受能力。
低温环境下，电池充电有一定的风险。因为随着温度的降低，石墨负极的动力学特性进步一变差，充电过程中，负极的电化学极化明显加剧，析出的金属锂容易形成锂枝晶，穿破隔膜并导致正负极短路。
因此业内人士建议，尽量防止锂离子电池在低温下充电。当电池必须在低温下充电时，要尽可能选择小电流（即慢充）对锂离子电池进行充电，并在充电后对锂离子电池进行充分搁置，从而保证负极析出的金属锂能够与石墨反应，重新嵌入到石墨负极内部。
当然了，钛酸锂离子电池有着材料上的优势，它在低温下仍然可以实现快充，这种任性，其他材料电池很难学来。
