关于锂离子电池低温放电特性及低温对电池的影响

锂电池在低温环境下使用受到限制，除了因为放电容量会严重衰退外，低温下也不能对锂电池进行充电。在低温充电时，电池石墨电极上的锂离子的嵌入和镀锂反应是同时存在的且相互竞争。低温条件下锂离子在石墨中的扩散被抑制，电解液的导电率下降，从而导致嵌入速率降低而在石墨表面上会使镀锂反应更容易产生。锂离子电池在低温下使用时寿命下降的原因主要有内部阻抗的增加与锂离子析出使容量衰减。

 

锂电池和铅酸电池的工作环境温度是和品牌、产品系列、适用场合等条件相联系的,不能做一刀切.同时电池还区分储存温度,充电温度和工作温度. 　　常规的锂电池工作温度：-20℃~60℃,不过一般低于0℃后锂电池性能就会下降,放电能力就会相应降低,所以锂电池性能完全的工作温度,常见是0~40℃.一些特殊环境要求的锂电池温度就各有不同了,有些甚至可以在上百摄氏度的环境中正常运行. 　　铅酸电池的工作温度与锂电池基本差别不大,-30℃~60℃,同样低于0℃也会有一定降容,性能完全发挥的工作温度也在0~40℃.一些特殊的铅酸电池工作范围会放宽,如高能环保蓄电池,工作温度可以在-40℃~70℃.

 

热辐射

 

电池和外界的热量交换效率还受到电池外壳热辐射的影响。热辐射传热速率和温度的四次幂呈线性关系，热辐射的引入会改变电池的温度。热辐射加快了电池与外界的热量传递，使电池到达热箱温度的时间变短，抑制了电池内部的热量积累。因此大体积的动力锂离子电池在设计时，需要对电池外壳进行加工处理，提高其热辐射系数。锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。 

 

锂离子电池的老化不仅取决于时间或循环次数，还取决于操作条件，即应力因素。深入分析包括温度，充放电率，DOD和平均SOC在内的决定性应力因素的影响是延长锂离子电池寿命并确保其性能可靠性的先决条件。

温度对锂离子电池的循环老化速率有很大的影响。较低的温度，由于强化的锂单质电镀而降低循环寿命；过高的温度，由于Arrhenius驱动的老化反应，而缩短电池寿命；因此锂电池只有在适当的温度下才能获得最佳循环寿命。[6] W aldmann7进行了一次综合实验覆盖温度范围从- 20℃至70℃，发现25℃是LixNi1/3Mn1/3Co1/3O2/LiyMn2O4混合阴极和石墨/碳阳极的18650型获得最长电池循环寿命的最佳工作温度。如其他研究工作所示，最佳循环温度可能不是25℃。电池的类型多种多样，最佳循环温度也不尽相同。Schuster等人[ 5]研究获得的最佳温度在35 ° C，而Bauer等[8] 检测到最佳温度是约17° C。温度高于最佳循环温度，加速固体电解质界面（SEI）的形成，带来快速的容量衰减和阻抗升高。在充电过程结束时较低的温度有利于负极表面镀锂的形成。许多研究者[9 – 13]已经使用原位或者非原位方法确认了锂电池负极镀锂现象的存在，但至今仍然没有人对阴极降解问题作出明确报道。

据报道放电率对锂离子电池的老化速率有指数级别的影响。[1 ，14 - 17 ]Cui等确定了方程式1.15Ah LiCoO 2 / MCMB（中间相碳微珠）锂离子电池的放电速率和容量损失之间的关系。[1 – 3]

 

在这里，Qloss是容量损失，T是以开尔文为单位的绝对温度，C是放电倍率，n是循环数，A（C）是预指数因子，Ea（C）是活化能。

Omar等人 [16]也报道了放电率对圆柱形2.3 Ah LiFePO 4 /石墨锂离子电池循环寿命的指数影响。Wang等人[ 1 ]提取了与上述Cui等人类似的电池寿命模型，放电倍率与容量损失的关系，如下面方程[4]所示。结果基于大量的26650圆柱形LiFePO 4 /石墨锂离子电池循环测试数据。

 

其中Qloss 是容量损失，B是预指数因子，C Rate 是放电率，R是气体常数，T是以开尔文为单位的绝对温度，并且Ah是以Ah计量的电量。公式[1]和[4]是经验模型，因此等号两边的单位不完全相同。

许多研究人员认为，大电流放电会导致SEI层出现裂纹，其次是SEI修复。[1，14，16，18，19 ]因此，在阳极表面上的副反应被加速，SEI膜厚度进一步增长。所有这些过程都会增加可循环锂的消耗和电池的阻抗。实际上，较高的电池温度总是伴随着较高的放电速率，这模糊了在高放电电流下加速电池老化的真正原因。本文研究了应力因子温度和放电速率对混合阴极锂离子软包电池的影响。

开发混合阴极以结合不同阴极材料的优点。一些研究小组试图解释混合阴极LiMn2O4/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2的老化机理。[2，20，21]他们已经发现，在这类电芯的老化机理主要是可循环的锂的损失和阴极材料的部分损失。然而，关于LiCoO2/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（LCO/NCA）混合阴极的老化行为的信息很少。