鋰離子電池自從進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，以其壽命長(zhǎng)、比容量大、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。鋰離子電池低溫使用存在容量低、衰減嚴(yán)重、循環(huán)倍率性能差、析鋰現(xiàn)象明顯、脫嵌鋰不平衡等問(wèn)題。然而，隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，鋰離子電池的低溫性能低劣帶來(lái)的制約愈加明顯。

　　據(jù)報(bào)道，在-20℃時(shí)鋰離子電池放電容量只有室溫時(shí)的31.5%左右。傳統(tǒng)鋰離子電池工作溫度在-20——+55℃之間。但是在航空航天、軍工、電動(dòng)車等領(lǐng)域，要求電池能在-40℃正常工作。因此，改善鋰離子電池低溫性質(zhì)具有重大意義。

　　制約鋰離子電池低溫性能的因素

　　1、低溫環(huán)境下，電解液的黏度增大，甚至部分凝固，導(dǎo)致鋰離子電池的導(dǎo)電率下降。

　　2、 低溫環(huán)境下電解液與負(fù)極、隔膜之間的相容性變差。

　　3、 低溫環(huán)境下鋰離子電池的負(fù)極析出鋰嚴(yán)重，并且析出的金屬鋰與電解液反應(yīng)，其產(chǎn)物沉積導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度增加。

　　4、低溫環(huán)境下鋰離子電池在活性物質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散系統(tǒng)降低，電荷轉(zhuǎn)移阻抗(Rct)顯著增大。

　　對(duì)于影響鋰離子電池低溫性能因素的探討

　　專家觀點(diǎn)一：電解液對(duì)鋰離子電池低溫性能的影響最大，電解液的成分及物化性能對(duì)電池低溫性能有重要影響。電池低溫下循環(huán)面臨的問(wèn)題是：電解液粘度會(huì)變大，離子傳導(dǎo)速度變慢，造成外電路電子遷移速度不匹配，因此電池出現(xiàn)嚴(yán)重極化，充放電容量出現(xiàn)急劇降低。尤其當(dāng)?shù)蜏爻潆姇r(shí)，鋰離子很容易在負(fù)極表面形成鋰枝晶，導(dǎo)致電池失效。

　　電解液的低溫性能與電解液自身電導(dǎo)率的大小關(guān)系密切，電導(dǎo)率大電解液的傳輸離子快，低溫下可以發(fā)揮出更多的容量。電解液中的鋰鹽解離的越多，遷移數(shù)目就越多，電導(dǎo)率就越高。電導(dǎo)率高，離子傳導(dǎo)速率越快，所受極化就越小，在低溫下電池的性能表現(xiàn)越好。因此較高的電導(dǎo)率是實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池良好低溫性能的必要條件。

　　電解液的電導(dǎo)率與電解液的組成成分有關(guān)，減小溶劑的粘度是提高電解液電導(dǎo)率的途徑之一。溶劑低溫下溶劑良好的流動(dòng)性是離子運(yùn)輸?shù)谋Ｕ?，而低溫下電解液在?fù)極所形成的固體電解質(zhì)膜也是影響鋰離子傳導(dǎo)的關(guān)鍵，且RSEI為鋰離子電池在低溫環(huán)境下的主要阻抗。

　　專家觀點(diǎn)二：限制鋰離子電池低溫性能的主要因素是低溫下急劇增加的Li+擴(kuò)散阻抗，而并非SEI膜。

　　鋰離子電池正極材料的低溫特性

　　1、層狀結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性

　　層狀結(jié)構(gòu)，既擁有一維鋰離子擴(kuò)散通道所不可比擬的倍率性能，又擁有三維通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是最早商用的鋰離子電池正極材料。其代表性物質(zhì)有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。

　　謝曉華等以LiCoO2/MCMB為研究對(duì)象，測(cè)試了其低溫充放電特性。結(jié)果顯示，隨著溫度的降低，其放電平臺(tái)由3.762V(0℃)下降到3.207V(-30℃);其電池總?cè)萘恳灿?8.98mA·h(0℃)銳減到68.55mA·h(-30℃)。

　　2、尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性

　　尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn2O4正極材料，由于不含Co元素，故而具有成本低、無(wú)毒性的優(yōu)勢(shì)。

　　然而，Mn價(jià)態(tài)多變和Mn3+的Jahn-Teller效應(yīng)，導(dǎo)致該組分存在著結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和可逆性差等問(wèn)題。

　　彭正順等指出，不同制備方法對(duì)LiMn2O4正極材料的電化學(xué)性能影響較大，以Rct為例：高溫固相法合成的LiMn2O4的Rct明顯高于溶膠凝膠法合成的，且這一現(xiàn)象在鋰離子擴(kuò)散系數(shù)上也有所體現(xiàn)。究其原因，主要是由于不同合成方法對(duì)產(chǎn)物結(jié)晶度和形貌影響較大。

　　3、磷酸鹽體系正極材料的低溫特性

　　LiFePO4因絕佳的體積穩(wěn)定性和安全性，和三元材料一起，成為目前動(dòng)力電池正極材料的主體。磷酸鐵鋰低溫性能差主要是因?yàn)槠洳牧媳旧頌榻^緣體，電子導(dǎo)電率低，鋰離子擴(kuò)散性差，低溫下導(dǎo)電性差，使得電池內(nèi)阻增加，所受極化影響大，電池充放電受阻，因此低溫性能不理想。

　　谷亦杰等在研究低溫下LiFePO4的充放電行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，其庫(kù)倫效率從55℃的100%分別下降到0℃時(shí)的96%和-20℃時(shí)的64%;放電電壓從55℃時(shí)的3.11V遞減到-20℃時(shí)的2.62V。

　　Xing等利用納米碳對(duì)LiFePO4進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)，添加納米碳導(dǎo)電劑后，LiFePO4的電化學(xué)性能對(duì)溫度的敏感性降低，低溫性能得到改善;改性后LiFePO4的放電電壓從25℃時(shí)的3.40V下降到-25℃時(shí)的3.09V，降低幅度僅為9.12%;且其在-25℃時(shí)電池效率為57.3%，高于不含納米碳導(dǎo)電劑的53.4%。

　　近來(lái)，LiMnPO4引起了人們濃厚的興趣。研究發(fā)現(xiàn)，LiMnPO4具有高電位(4.1V)、無(wú)污染、價(jià)格低、比容量大(170mAh/g)等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于LiMnPO4比LiFePO4更低的離子電導(dǎo)率，故在實(shí)際中常常利用Fe部分取代Mn形成LiMn0.8Fe0.2PO4固溶體。

　　鋰離子電池負(fù)極材料的低溫特性

　　相對(duì)于正極材料而言，鋰離子電池負(fù)極材料的低溫惡化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，主要有以下3個(gè)原因：

　　1、低溫大倍率充放電時(shí)電池極化嚴(yán)重，負(fù)極表面金屬鋰大量沉積，且金屬鋰與電解液的反應(yīng)產(chǎn)物一般不具有導(dǎo)電性;

　　2、從熱力學(xué)角度，電解液中含有大量C-O、C-N等極性基團(tuán)，能與負(fù)極材料反應(yīng)，所形成的SEI膜更易受低溫影響;

　　3、碳負(fù)極在低溫下嵌鋰?yán)щy，存在充放電不對(duì)稱性。

　　低溫電解液的研究

　　電解液在鋰離子電池中承擔(dān)著傳遞 Li+ 的作用，其離子電導(dǎo)率和 SEI 成膜性能對(duì)電池低溫性能影響顯著。判斷低溫用電解液優(yōu)劣，有3個(gè)主要指標(biāo)：離子電導(dǎo)率、電化學(xué)窗口和電極反應(yīng)活性。而這3個(gè)指標(biāo)的水平，在很大程度上取決于其組成材料：溶劑、電解質(zhì)(鋰鹽)、添加劑。因此，電解液的各部分低溫性能的研究，對(duì)理解和改善電池的低溫性能，具有重要的意義。

　　1、EC基電解液低溫特性相比鏈狀碳酸酯而言，環(huán)狀碳酸酯結(jié)構(gòu)緊密、作用力大，具有較高的熔點(diǎn)和黏度。但是、環(huán)狀結(jié)構(gòu)帶來(lái)的大的極性，使其往往具有很大的介電常數(shù)。EC溶劑的大介電常數(shù)、高離子導(dǎo)電率、絕佳成膜性能，有效防止溶劑分子共插入，使其具有不可或缺的地位，所以，常用低溫電解液體系大都以EC為基，再混合低熔點(diǎn)的小分子溶劑。

　　2、鋰鹽是電解液的重要組成。鋰鹽在電解液中不僅能夠提高溶液的離子電導(dǎo)率，還能降低 Li+ 在溶液中的擴(kuò)散距離。一般而言，溶液中的Li+濃度越大，其離子電導(dǎo)率也越大。但電解液中的鋰離子濃度與鋰鹽的濃度并非呈線性相關(guān)，而是呈拋物線狀。這是因?yàn)?，溶劑中鋰離子濃度取決于鋰鹽在溶劑中的離解作用和締合作用的強(qiáng)弱。

　　低溫電解液的研究

　　除電池組成本身外，在實(shí)際操作中的工藝因素， 也會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生很大影響。

　　1、 制備工藝

　　Yaqub等研究了電極荷載及涂覆厚度對(duì) LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite電池低溫性能的影響發(fā)現(xiàn)，就容量保持率而言，電極荷載越小，涂覆層越薄，其低溫性能越好。

　　2、 充放電狀態(tài)

　　Petzl 等研究了低溫充放電狀態(tài)對(duì)電池循環(huán)壽命的影響發(fā)現(xiàn)放電深度較大時(shí)，會(huì)引起較大的容量損失，且降低循環(huán)壽命。

　　3、 其它因素

　　電極的表面積、孔徑、電極密度、電極與電解液的潤(rùn)濕性及隔膜等，均影響著鋰離子電池的低溫性能。另外，材料和工藝的缺陷對(duì)電池低溫性能的影響也不容忽視。

　　所以，為保證鋰離子電池的低溫性能，需要做好以下幾點(diǎn)：

　　(1) 形成薄而致密的SEI膜;

　　(2) 保證 Li+在活性物質(zhì)中具有較大的擴(kuò)散系數(shù);

　　(3) 電解液在低溫下具有高的離子電導(dǎo)率。

　　此外，研究中還可另辟蹊徑，將目光投向另一類鋰離子電池——全固態(tài)鋰離子電池。相較常規(guī)的鋰離子電池而言，全固態(tài)鋰離子電池，尤其是全固態(tài)薄膜鋰離子電池，有望徹底解決電池在低溫下使用的容量衰減問(wèn)題和循環(huán)安全問(wèn)題。

　　那么，冬季如何正確對(duì)待鋰電池?

　　1、請(qǐng)勿在低溫環(huán)境下使用鋰電池

　　溫度對(duì)于鋰電池的影響還是很大的，溫度越低鋰電池的活性就越低，直接導(dǎo)致充放電效率大幅降低，所一般而言，鋰電池的工作溫度為-20度-60度之間。

　　當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，注意不要在室外充電，你充了也充不進(jìn)去，我們可以將電池拿到室內(nèi)進(jìn)行充電(注意，一定遠(yuǎn)離易燃物!!!)，當(dāng)溫度低于-20℃，電池會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，無(wú)法正常使用。所以北方尤為寒冷地方的用戶。

　　實(shí)在沒(méi)有室內(nèi)充電條件的，要充分利用電池放電時(shí)的余熱，停車后立即在陽(yáng)光下充電，以增加充電量，并避免析鋰。

　　2、養(yǎng)成隨用隨充的習(xí)慣

　　冬季，當(dāng)電池電量過(guò)低時(shí)，我們要做到及時(shí)充電，養(yǎng)成隨用隨充的好習(xí)慣，記住，永遠(yuǎn)不要按照正常的電池續(xù)航去預(yù)估冬季電池電量。

　　冬天鋰電池活性下降，非常容易造成過(guò)放過(guò)充，輕則影響電池使用壽命，重則引發(fā)燃燒事故。因此，冬天更要注意以淺放淺充的方式充電。特別需要指出的是，不要以一直充電的方式長(zhǎng)時(shí)間停放車輛，避免過(guò)充。

　　3、充電時(shí)請(qǐng)勿遠(yuǎn)離切記不要長(zhǎng)時(shí)間充電

　　不要為了圖方便，將車輛長(zhǎng)期處于充電狀態(tài)，做到充滿即拔就可以。冬季充電環(huán)境不要低于0℃，充電時(shí)，不要離開太遠(yuǎn)，以防突發(fā)情況發(fā)生，及時(shí)處理。

　　4、充電時(shí)使用鋰電池專用充電器

　　市場(chǎng)上充斥著大量的劣質(zhì)充電器，使用劣質(zhì)充電器會(huì)造成電池?fù)p壞，甚至引起火災(zāi)。不要貪圖便宜購(gòu)買低價(jià)無(wú)保障產(chǎn)品，更不要使用鉛酸電池充電器;如果你的充電器不能正常使用，立即停止使用，切莫因小失大。

　　5、注意電池壽命，適時(shí)換新

　　鋰電池都有壽命，不同規(guī)格型號(hào)電池壽命不同，加上日常使用方式不當(dāng)，電池的壽命幾個(gè)月到三年不等，如果車子出現(xiàn)斷電或是續(xù)航異常短，不能充電放電時(shí)候請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系鋰電池維修人員處理。

　　6、留有余電好過(guò)冬

　　為了來(lái)年春天能正常使用車輛，如果長(zhǎng)期不用電池，記得充入50%——80%的電量，并且從車上卸下存放，并做到定期充電，大概一個(gè)月一充。注意：電池存放一定要放在干燥的環(huán)境下哦。

　　7、正確放置電池

　　不要將電池浸入水中，或者使電池潮濕;不要將電池疊放超過(guò)7層，或者倒置電池方向。