低温动力锂电池技术研发进展

低温环境下电池衰减的主要原因是：一是温度低影响电池内阻小，热扩散面积大，电池内阻增大。二是电池内外电荷转移能力差，电池发生形变时会发生局部不可逆的极化作用。三是低温时电解质分子运动缓慢而温度上升时难以及时扩散。因此低温电池衰减严重，导致电池性能衰减严重。

1、低温电池技术现状

在低温下制备的锂离子动力电池技术和材料性能要求很高。锂离子动力电池低温环境下性能衰减严重的原因是内阻增大，导致电解液扩散困难，电芯循环寿命缩短。因此近年来低温动力电池技术研究取得了一定进展。传统高温锂离子电池高温性能较差，低温条件下性能仍不稳定；低温电芯体积大、容量低、低温循环性能差；低温时极化作用显著强于高温时；低温时电解液粘度增加导致充放电循环次数减少；低温下电芯安全性降低、电池寿命降低；低温下使用性能下降。此外，低温条件下电池循环寿命短而且低温电芯存在安全隐患等问题，对动力电池安全性提出了新的要求。因此开发低温环境下性能稳定、安全可靠、长寿命的动力电池材料是低温锂离子电池研究的重点。目前国内外主要有以下几种低温锂离子电池材料:

• 金属锂负极材料：由于金属锂具有高化学稳定性、高导电性和低温充放电性能良好等优点而被广泛应用于电动汽车中;

• 碳负极材料在低温下具有良好的耐热性、低温循环性能、低导电性、低温循环寿命等优点而被广泛应用于电动汽车中;

• 有机电解质在低温下有较好性能;

• 聚合物电解质：聚合物分子链比较短、亲和力高;

• 无机材料：无机聚合物具有良好性能参数（导电性）与电解质活性之间有较好配合力;

• 金属氧化物较少;

• 无机物：无机聚合物等。

 2、低温环境对锂电池的影响

锂电池的循环寿命主要取决于放电过程，而低温则是锂产品寿命中影响较大的因素。通常，低温环境下，电池表面会发生相变引起表面结构破坏，同时伴随着容量和电芯容量减少。高温条件下，在电芯中生成气体，会加速热扩散；在低温下，气体无法及时排出，加速电池液相变；温度越低，气体产生越多，电池液相变越慢。因此，低温条件下电池内部物质变化更加剧烈、复杂，电池材料内部更容易产生气体和固体；同时，温度过低时会导致负极材料与电解液相界面处发生不可逆的化学键断裂等一系列破坏反应；还会导致电解液自组装程度降低、循环寿命缩短；锂离子电荷向电解液转移能力下降；充放电过程中会引起锂离子电荷转移过程中极化现象、电池容量衰减、内部应力释放等一系列连锁反应，影响锂离子电池循环寿命和能量密度等功能。低温下温度越低，电池表面氧化还原反应、热扩散、电芯内部相变等各种破坏反应越剧烈、越复杂甚至完全破坏后又引发电解液自组装、反应速度越慢、电池容量衰减越严重、锂离子电荷在高温下迁移能力越差等一系列连锁反应。

3、低温对锂电池技术研究进展的展望

在低温环境下，电池的安全性、循环寿命、电芯温度稳定性都会受到影响，低温对锂电池寿命的影响不容忽视。目前采用隔膜、电解液、正负极材料等多种方式的低温动力电池技术研发已经取得一定进展。在未来，低温锂电池技术研发应该从以下几个方面进行改进:

• 开发出低温下高能量密度、长寿命、低衰减、小尺寸、低成本的锂电池材料体系;

• 通过结构设计和材料制备技术不断提高电池内阻控制能力;

• 在开发高容量、低成本锂电池体系时，应注意电解液添加剂、锂离子与正负极界面及内部活性物质等关键因素影响;

• 提高电池循环性能（充放电比能量）、低温环境下电池热稳定性、低温环境下锂电池的安全性以及其他电池技术发展方向;

• 开发低温条件下安全性能高、高成本、低成本动力电池体系方案;

• 开发出低温电池相关产品并推广应用;

• 开发高性能耐低温电池材料及器件技术。

当然除了以上研究方向外，也有很多研究方向可以进一步改进低温条件下电池性能、提高低温电池能量密度、降低低温环境下电池衰减、延长电池使用寿命等方面研究进展；但是更重要的问题是如何实现低温条件下电池高性能、高安全、低成本、高续航里程、长寿命、低成本地商业化使用是目前研究需要重点突破并解决的问题。