鋰離子電池自進入市場以來，以其壽命長、比容量大、無記憶效應等優點得到了廣泛的應用。 鋰離子電池低溫使用存在容量低、衰減嚴重、循環倍率性能差、鋰沉積明顯、提鋰不平衡等問題。 然而，隨著應用領域的不斷擴大，鋰離子電池低溫性能不佳所帶來的製約也越來越明顯。

據介紹，鋰離子電池在-20℃下的放電容量僅為常溫下的31.5%左右。 傳統鋰離子電池的工作溫度在-20到+55°C之間。 但在航空航天、軍工、電動汽車等領域，要求電池在-40℃下正常工作。 因此，提高鋰離子電池的低溫性能具有重要意義。

限制鋰離子電池低溫性能的因素

在低溫環境下，電解液的粘度增加，甚至部分凝固，導致鋰離子電池的電導率下降。

在低溫環境下，電解液與負極和隔膜的相容性變差。

鋰離子電池負極在低溫環境下析鋰嚴重，析出的金屬鋰與電解液發生反應，其產物沉積導致固體-電解液界面（SEI）厚度增加。

在低溫環境下，鋰離子電池在活性材料中的擴散體系減少，電荷轉移電阻（Rct）顯著增加。

鋰離子電池低溫性能影響因素探討

專家意見1：電解液對鋰離子電池的低溫性能影響最大，電解液的成分和理化性能對電池的低溫性能有重要影響。 電池低溫循環面臨的問題是：電解液粘度增加，離子傳導速度變慢，導致外電路電子遷移速度不匹配，電池嚴重極化，充放電容量急劇下降。 尤其是低溫充電時，鋰離子容易在負極表面形成鋰枝晶，導致電池失效。

電解液的低溫性能與電解液本身電導率的大小密切相關。 電導率高的電解質，離子傳輸速度快，在低溫下能發揮更大的容量。 電解液中離解的鋰鹽越多，遷移次數越多，電導率越高。 電導率越高，離子傳導速度越快，極化越小，電池的低溫性能越好。 因此，較高的電導率是鋰離子電池實現良好低溫性能的必要條件。

電解液的電導率與電解液的成分有關，降低溶劑的粘度是提高電解液電導率的方法之一。 溶劑在低溫下良好的流動性是離子傳輸的保證，低溫下電解液在負極形成的固體電解質膜也是影響鋰離子傳導的關鍵，而RSEI是主要阻抗低溫環境下的鋰離子電池。

專家2：限制鋰離子電池低溫性能的主要因素是低溫下Li+擴散阻力的急劇增加，而不是SEI膜。

鋰離子電池正極材料的低溫特性

1. 層狀正極材料的低溫特性

層狀結構不僅具有一維鋰離子擴散通道無法比擬的倍率性能，還具有三維通道的結構穩定性。 它是最早的商用鋰離子電池正極材料。 其代表物質有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。

謝曉華等。 以LiCoO2/MCMB為研究對象，對其低溫充放電特性進行了測試。

結果表明，隨著溫度的降低，放電平台從3.762V（0°C）下降到3.207V（–30°C）； 總電池容量也從 78.98mA·h (0°C) 急劇下降到 68.55mA·h (–30°C)。

2、尖晶石結構正極材料的低溫特性

尖晶石結構的LiMn2O4正極材料由於不含Co元素，具有成本低、無毒等優點。

然而，Mn的價態變化和Mn3+的Jahn-Teller效應導致該組分的結構不穩定和可逆性差。

彭正順等。 指出不同的製備方法對LiMn2O4正極材料的電化學性能影響很大。 以Rct為例：高溫固相法合成的LiMn2O4的Rct明顯高於溶膠-凝膠法，而且這種現像不受鋰離子的影響。 也反映了擴散係數。 原因在於不同的合成方法對產物的結晶度和形貌影響很大。

3. 磷酸鹽體係正極材料的低溫特性

LiFePO4由於其優異的體積穩定性和安全性，與三元材料一起成為當前動力電池正極材料的主體。 磷酸鐵鋰低溫性能差主要是因為它的材料本身是絕緣體，電子導電率低，鋰離子擴散性差，低溫下導電性差，增加了電池的內阻，受到很大影響極化，電池充放電受阻。 因此，低溫性能並不理想。

在研究 LiFePO4 在低溫下的充放電行為時，顧一傑等人。 發現其庫侖效率分別從 100°C 時的 55% 下降到 96°C 時的 0% 和 -64°C 時的 20%； 放電電壓從 3.11°C 時的 55V 下降。 在 –2.62°C 下降至 20V。

邢等人。 用納米碳修飾LiFePO4，發現添加納米碳導電劑後，LiFePO4的電化學性能對溫度的敏感性降低，低溫性能有所改善； 改性 LiFePO4 的放電電壓從 3.40°CV 的 25 下降到 –3.09°C 的 25V，僅下降 9.12%； 其在–25°C時的電池效率為57.3%，高於未使用納米碳導電劑的53.4%。

最近，LiMnPO4 引起了很多人的興趣。 研究發現，LiMnPO4具有高電位（4.1V）、無污染、價格低廉、比容量大（170mAh/g）等優點。 但由於LiMnPO4的離子電導率低於LiFePO4，實踐中常使用Fe部分替代Mn形成LiMn0.8Fe0.2PO4固溶體。

鋰離子電池負極材料的低溫特性

與正極材料相比，鋰離子電池負極材料的低溫劣化更為嚴重，主要有以下三個原因：

低溫高倍率充放電時，電池極化嚴重，大量金屬鋰沉積在負極表面，金屬鋰與電解液的反應產物一般不具有導電性；

從熱力學角度看，電解液中含有大量的CO、CN等極性基團，可與負極材料發生反應，形成的SEI膜更易受低溫影響；

碳負極在低溫下難以嵌入鋰，存在不對稱充放電。

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低溫電解液的研究

電解液在鋰離子電池中起傳輸Li+的作用，其離子電導率和SEI成膜性能對電池的低溫性能有顯著影響。 判斷低溫電解質優劣的主要指標有離子電導率、電化學窗口和電極反應性三個指標。 這三個指標的高低很大程度上取決於其組成材料：溶劑、電解質（鋰鹽）和添加劑。 因此，對電解液各部分低溫性能的研究對於了解和提高電池的低溫性能具有重要意義。

與鏈狀碳酸鹽相比，EC基電解質的低溫特性，環狀碳酸鹽具有結構緻密、作用力大、熔點和粘度較高等特點。 然而，環狀結構帶來的大極性使其往往具有較大的介電常數。 EC溶劑的大介電常數、高離子電導率和優異的成膜性能有效地防止了溶劑分子的共插入，使其不可或缺。 因此，目前常用的低溫電解質體系大多以EC為基礎，再混合低熔點的小分子溶劑。

鋰鹽是電解質的重要成分。 電解液中的鋰鹽不僅可以提高溶液的離子電導率，還可以縮短Li+在溶液中的擴散距離。 一般來說，溶液中Li+的濃度越大，離子電導率越大。 然而，電解液中鋰離子的濃度與鋰鹽的濃度並不是線性相關，而是呈拋物線關係。 這是因為溶劑中鋰離子的濃度取決於溶劑中鋰鹽解離和締合的強度。

低溫電解液的研究

除了電池本身的成分，實際運行中的工藝因素也會對電池的性能產生很大影響。
(1)準備過程。 雅庫布等人。 研究了電極負載和塗層厚度對LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /石墨電池低溫性能的影響，發現在容量保持率方面，電極負載越小，塗層越薄，低溫性能越好。溫度性能。 .

(2) 充放電狀態。 佩茨爾等人。 研究了低溫充放電狀態對電池循環壽命的影響，發現當放電深度較大時，會造成較大的容量損失，降低循環壽命。

（三）其他因素。 比表面積、孔徑、電極密度、電極與電解液的潤濕性、隔膜等，都會影響鋰離子電池的低溫性能。 此外，材料和工藝缺陷對電池低溫性能的影響也不容忽視。

總結

為了保證鋰離子電池的低溫性能，需要做好以下幾點：

(1)形成薄而緻密的SEI膜；

(2)保證Li+在活性物質中具有較大的擴散係數；

(3)電解液在低溫下具有高離子電導率。

此外，研究還可以另闢蹊徑看待另一種鋰離子電池——全固態鋰離子電池。 與傳統鋰離子電池相比，全固態鋰離子電池，尤其是全固態薄膜鋰離子電池，有望徹底解決電池使用時的容量衰減和循環安全問題。低溫。 C