低温对锂离子电池的各种影响

在冬季，电动汽车的里程明显减少。一个普通的电动小轿车，即使不开空调，行驶100公里所消耗的电量也会超过15kWh，用户的使用体验非常不理想。从微观角度来看，低温导致电池的正负极材料活性降低和电解液导电能力降低。这在宏观上表现为容量下降、内部电阻增加和放电效率降低等一系列结果。

在低温环境下，锂电池的使用有一些限制。首先，电池的放电容量会严重下降，而且不能在低温下进行充电。低温充电时，锂离子在电池石墨电极上的嵌入和镀锂反应同时存在并竞争。在低温条件下，锂离子在石墨中的扩散速度减慢，电解液的导电率下降，这导致锂离子嵌入速率减慢，而镀锂反应更容易产生在石墨表面上。因此，在低温下使用锂离子电池时，会导致内部阻抗增加和锂离子析出，从而降低容量和使用寿命。

１.低温对电池的放电容量有何影响？

容量是锂电池最重要的参数之一。它的大小会随着温度变化而有所变化，下图展示了一款磷酸铁锂电池的放电曲线。该电池的充电终止电压为3.65±0.05V，放电终止电压为2±0.05V。曲线中的两条线表示电池按照0.1C和0.3C在不同的温度下进行放电时得到的温度容量曲线。很明显，容量随着温度的升高逐渐增加。-20℃时的容量只相当于15℃时容量的60%左右。除了容量，电池的开路电压也会随着温度的降低而下降。我们都知道，电池的内部储存能量等于容量与端电压的乘积。当这两个乘数都下降时，电池内的储存能量就会受到两者效果的叠加影响。

在低温环境下，正极材料的活性降低，导致能够参与电荷移动并引发放电电流的锂离子数量减少，这是容量减小的根本原因。

２.低温对电池内阻会产生影响。

下图展示了锂电池温度和电阻之间的关系。每条曲线都代表电池在不同荷电量下的情况。在任何荷电量下，随着温度的降低，电池内阻都明显升高。荷电量越低的电芯，内阻也会更大，并且这一趋势随着温度的变化而保持不变。

在低温环境下，正负极材料中的带电离子扩散运动能力减弱，其穿过电极与电解液的钝化膜变得困难，传递速度也下降，并且额外产生大量热量。当锂离子到达负极后，其在负极材料内部的扩散也变得不顺畅。整个过程中，带电离子的运动都困难重重，从外部看来，就是电芯的内阻增加了。

３.低温会对电池的充放电效率产生影响。

以下为简化中文文字：

这条曲线显示了充电效率随着温度变化的情况。我们可以看到，在温度为-20℃时，充电效率仅为温度为15℃时的65％。这里只讨论效率问题，但低温充电的危害还有很多其他方面，这里不再讨论。低温会导致电化学特性发生变化，从而增加电池的内阻。在放电过程中，更多的电能将会被转化为内阻的热量。我们还可以看到，庫倫效率也会下降。对于电动汽车来说，当在低温下行驶时，虽然电池电量看起来一样，但汽车的续航里程会受到影响，并变得更短。

锂离子电池内部副反应有四个。

在低温下，锂电池的性能会严重退化，同时在锂离子电池充放电过程中会发生一些副反应。其中主要出现的副反应是锂离子与电解液之间发生不可逆反应，这会导致锂电池容量下降，进而使电池性能进一步恶化。

当电池使用时，导电活性物质会消耗，导致电池容量下降。考虑到电池的两个极的电位差异，副反应更有可能发生在负极上。这是因为负极材料的电势较低，离子和电解质溶剂会在负极表面产生副反应的沉积物，形成SEI膜。SEI膜阻碍了负极反应过程，使负极产生过电势。随着电池循环老化，负极上的锂离子不断嵌入和脱出，引起负极膨胀和收缩，导致SEI膜破裂。破裂的SEI膜使电解液和电极直接接触，新的SEI膜填补了裂缝并增加了SEI膜的厚度。这些反应在电池充放电循环中不断重复，导致锂离子逐渐减少，从而使锂离子电池的放电容量下降。

充电时，电池内活性物质的表面会形成沉积物，这会增加电阻。这样一来，活性粒子的有效表面积就减少了，离子电阻增加了。因此，锂电池的可用容量和能量都会下降。在充电过程中，锂电池更容易发生副反应。充电开始时，锂离子从电解液运动到负极，这使得电极和电解液之间的电位差减少。因此，锂离子与电解液中的物质之间更容易发生无法逆转的副反应。另外，不同的锂离子电池电极材料具有不同的电势-电极材料嵌锂浓度分数关系曲线。

锂电池在低温下容易受到影响，而低温预热技术则可以有效地缓解这种影响。以下是5种常用的锂电池低温预热技术：

1.线加热法：将线材缠绕在电池外壳上，通过通电使线材产生热量，从而预热电池。

2.电烤箱法：将电池放置在电烤箱内，设置合适的温度和时间进行预热。

3.热风吹扫法：使用专业设备产生热风，对电池进行吹扫预热。

4.热水浴法：将电池放置在特制的水槽内，调节水温并加热进行预热。

5.电极加热法：使用电流对电池正负极进行加热，以达到预热效果。

在面对低温下锂电池使用受限的问题时，技术人员采取了充电预热的策略。尽管这只是一种权宜之计，但它对于提升锂电池的放电能力和延长其寿命都有明显的效果。

在低温环境下，为了对锂电池充电或使用前进行预加热，电动汽车的电池管理系统（BMS）可以使用外部和内部加热两种方式。外部加热方式包括空气加热、液体加热、相变材料加热、热阻加热器或热泵加热。这些加热方式通常位于电池包中或者设置在热循环介质的容器中。内部加热法是通过交流电流激发电池内部电化学物质来产生热量，从而使电池加热。

外部加热

有人员进行了实验，利用电池和一套模拟大气系统来加热空气的方法进行研究。实验结果显示，与暴露在低温环境中的情况相比，使用电池加热空气能够显著提高温度。