為什么鋰離子電池的容量會在低溫時變低？

鋰電池自從進入市場以來，以其壽數長、比容量大、無回想效應等長處，獲得了廣泛的使用。鋰電池低溫使用存在容量低、衰減嚴峻、循環倍率功能差、析鋰現象分明、脫嵌鋰不平衡等問題。但是，隨著使用范疇不斷拓寬，鋰電池的低溫功能低質帶來的約束更加分明。

據報道，在-20℃時鋰電池放電容量惟有室溫時的31.5%左右。傳統鋰電池工作溫度在-20~+55℃之間。但是在航空航天、軍工、電動車等范疇，要求電池能在-40℃正常工作。因此，改進鋰電池低溫性質具有重大意義。

約束鋰電池低溫功能的要素

低溫環境下，電解液的黏度增大，乃至部分凝結，導致鋰電池的導電率下降。

低溫環境下電解液與負極、隔膜之間的相容性變差。

低溫環境下鋰電池的負極析出鋰嚴峻，并且析出的金屬鋰與電解液反響，其產品堆積導致固態電解質界面（SEI）厚度增加。

低溫環境下鋰電池在活性物質內部分散系統下降，電荷轉移阻抗（Rct）顯著增大。

鋰離子電池容量為什么會在冬季變低？

對于影響鋰電池低溫功能決定性要素的探討

專家觀點一：電解液對鋰電池低溫功能的影響最大，電解液的成分及物化功能對電池低溫功能有緊要影響。電池低溫下循環面臨的問題是：電解液粘度會變大，離子傳導速度變慢，造成外電路電子搬遷速度不匹配，因此電池出現嚴峻極化，充放電容量出現急劇下降。特別當低溫充電時，鋰離子很簡單在負極外表構成鋰枝晶，導致電池失效。

電解液的低溫功能與電解液本身電導率的巨細關系密切，電導率大電解液的傳輸離子快，低溫下能夠發揮出更多的容量。電解液中的鋰鹽解離的越多，搬遷數目就越多，電導率就越高。電導率高，離子傳導速率越快，所受極化就越小，在低溫下電池的功能表現越好。因此較高的電導率是實現鋰離子蓄電池杰出低溫功能的必要條件。

電解液的電導率與電解液的組成成分有關，減小溶劑的粘度是進步電解液電導率的途徑之一。溶劑低溫下溶劑杰出的流動性是離子運送的保證，而低溫下電解液在負極所構成的固體電解質膜也是影響鋰離子傳導的要害，且RSEI為鋰電池在低溫環境下的主要阻抗。

專家二：約束鋰電池低溫功能的主要要素是低溫下急劇增加的Li+分散阻抗，而并非SEI膜。

鋰電池正極資料的低溫特性

1、層狀結構正極資料的低溫特性

層狀結構，既具有一維鋰離子分散通道所不行比較的倍率功能，又具有三維通道的結構穩定性，是最早商用的鋰電池正極資料。其代表性物質有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。

謝曉華等以LiCoO2/MCMB為研討對象，探測了其低溫充放電特性。

結果顯示，隨著溫度的下降，其放電渠道由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃)；其電池總容量也由78.98mA·h(0℃)銳減到68.55mA·h(–30℃)。

2、尖晶石結構正極資料的低溫特性

尖晶石結構LiMn2O4正極資料，由于不含Co元素，故而具有本錢低、無毒性的優點。

但是，Mn價態多變和Mn3+的Jahn-Teller效應，導致該組分存在著結構不穩定和可逆性差等問題。

彭正順等指出，不同制備辦法對LiMn2O4正極資料的電化學功能影響較大，以Rct為例：高溫固相法組成的LiMn2O4的Rct分明高于溶膠凝膠法組成的，且這一現象在鋰離子分散系數上也有所表現。究其原由，主要是由于不同組成辦法對產品結晶度和形貌影響較大。

3、磷酸鹽系統正極資料的低溫特性

LiFePO4因絕佳的體積穩定性和安全性，和三元資料一起，成為目前動力電池正極資料的主體。磷酸鐵鋰低溫功能差主要是由于其資料本身為絕緣體，電子導電率低，鋰離子分散性差，低溫下導電性差，使得電池內阻增加，所受極化影響大，電池充放電受阻，因此低溫功能不抱負。

谷亦杰等在研討低溫下LiFePO4的充放電行為時發現，其庫倫功率從55℃的100%別離下降到0℃時的96%和–20℃時的64%；放電電壓從55℃時的3.11V遞減到–20℃時的2.62V。

Xing等使用納米碳對LiFePO4進行改性，發現，增加納米碳導電劑后，LiFePO4的電化學功能對溫度的敏感性下降，低溫功能得到改進；改性后LiFePO4的放電電壓從25℃時的3.40V下降到–25℃時的3.09V，下降幅度僅為9.12%；且其在–25℃時電池功率為57.3%，高于不含納米碳導電劑的53.4%。

近來，LiMnPO4引起了人們稠密的興致。研討發現，LiMnPO4具有高電位(4.1V)、無污染、價格低、比容量大(170mAh/g)等長處。但是，由于LiMnPO4比LiFePO4更低的離子電導率，故在實際中經常使用Fe部分替代Mn構成LiMn0.8Fe0.2PO4固溶體。

鋰電池負極資料的低溫特性

相對于正極資料而言，鋰電池負極資料的低溫惡化現象更為嚴峻，主要有以下3個原由：

低溫大倍率充放電時電池極化嚴峻，負極外表金屬鋰大量堆積，且金屬鋰與電解液的反響產品一般不具有導電性；

從熱力學角度，電解液中含有大量C–O、C–N等極性基團，能與負極資料反響，所構成的SEI膜更易受低溫影響；

碳負極在低溫下嵌鋰困難，存在充放電不對稱性。

鋰離子電池容量為什么會在冬季變低？

低溫電解液的研討

電解液在鋰電池中承擔著傳遞Li+的效果，其離子電導率和SEI成膜功能對電池低溫功能影響顯著。判斷低溫用電解液優劣，有3個主要目標：離子電導率、電化學窗口和電極反響活性。而這3個目標的水平，在很大程度上取決于其組成資料：溶劑、電解質(鋰鹽)、增加劑。因此，電解液的各部分低溫功能的研討，對知道和改進電池的低溫性能，具有緊要的意義。

總結

為保證鋰電池的低溫功能，需要做好以下幾點：

(1)構成薄而致密的SEI膜；

(2)保證Li+在活性物質中具有較大的分散系數；

(3)電解液在低溫下具有高的離子電導率。

此外，研討中還可另辟蹊徑，將目光投向另一類鋰電池全固態鋰電池。相較慣例的鋰電池而言，全固態鋰電池，特別是全固態薄膜鋰電池，有望徹底處理電池在低溫下使用的容量衰減問題和循環安全問題。

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