是什么因素制约了锂离子低温性能呢？
来源：宝鄂实业
2019-09-26 15:26
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如要了解锂离子低温性能，可以通过测试动力电池低温特性来分析。而测试动力电池低温特性，可以用不同规格、不同材料的动力电池进行测试，包含低温放电、充电和交流阻抗等测试。
动力电池充电刚开始时，电池端电压瞬间上升，且温度越低动力电池充电的起始电压就会越高。低温下其端电压上升比较快，很快就会达到截止电压，进入恒压充电阶段。
随着温度的降低，动力电池的恒流充电时间就会缩短，而恒压阶段充电时间就会延长，充电总时间也会变长。所以，在充入同等电量下，动力电池所需要的充电时间将大大增加，如图1。
在不同温度环境中，动力电池充电电量测试结果分为恒流阶段充电电量与恒压阶段充电电量。对于同一电池设置相同的充电截止条件，随着温度的下降，动力电池整体充入的电量呈下降趋势，如图2。
在设定的充电模式下，随着温度的降低，动力电池恒压阶段充入的电量就会增加。所以，温度的降低致使动力电池恒流充电电量缩减，主要依靠恒压进行充电，长时间的恒压阶段充电会导致动力电池整体充电时间延长，使充电时间效率降低，且长时间的低温恒压充电也是导致动力电池发生副反应性能衰减的诱因之一。
锂离子动力电池在低温使用中，能量和功率特性衰减比较严重。从宏观上来讲，锂离子动力电池的低温性能表现为随着温度的降低，动力电池的阻抗增大，放电电压平台降低，且电池的端电压下降较快，导致其可用容量和功率大大衰减。
此外，动力电池在低温下不仅难以实现大电流放电，且因电池阻抗的增加，导致充电电压迅速上升，使电池到达充电保护终止电压的时间缩短，因此存在充电困难和充电效率低的缺点。
从微观上来讲，锂离子动力电池低温特性主要受到低温下电池内部电解液离子电导率过低、低温下电池电极电化学反应速率降低、低温下电池负极石墨颗粒表面SEI膜的电导率降低、低温下电池负极石墨材料颗粒中的锂离子固相扩散系数过低等因素的制约。
因此，锂离子动力电池低温下的性能首先与电池电解液相关。动力电池电解液溶剂不仅直接影响电解液液相线温度范围，且直接参与到生成SEI膜的反应中。
低温下电解液电导率降低，且低温充电导致析出的锂金属易与电解液反应，导致锂离子动力电池低温性能进一步恶化。
低温下电池内部电极SEI膜阻抗的增加，是动力电池低温性能恶化的另一因素。低温下，电池内部电极SEI膜阻抗增加，动力电池可用功率下降。
在低温充电时，负极颗粒表面析出金属锂，锂金属与电解液反应致使SEI膜增厚。一方面增加了电池的SEI膜阻抗，另一方面，负极中可用活性锂离子的减少会导致动力电池容量不可逆的衰减。
低温下动力电池电化学反应速率降低，电荷迁移内阻显著增加。相比于电化学欧姆内阻和SEI膜阻抗，电池电化学反应过程受温度控制的作用更明显，电荷迁移内阻随着温度的降低呈指数增加，所以，低温电荷迁移内阻剧增是动力电池功率性能恶化的主要原因。
锂离子在负极石墨中的固相扩散系数减小也是导致动力电池低温性能变差的主要因素之一。低温下锂离子在负极石墨中的固相扩散系数减小，是导致动力电池容量特性变差的主要速度控制步骤。
当电池进行低温充电时，较小的扩散系数会导致锂离子在负极石墨中的扩散过程受阻，从而易在负极颗粒表面产生“锂沉积”，对电池造成永久性的损伤。
二 动力电池低温放电特性
以18650型镍钴锰体系动力电池、磷酸铁锂体系动力电池、镍钴锰体系动力电池三种动力电池为例，先放电测试。在三种动力电池均在25℃环境中，用恒流恒压充电使SOC（剩余电量）达到100%，其次在不同温度中静置4个小时，等电池温度与设定温度达到一致后，进行相应的测试。
研究电池低温下放电的特性，可以用两种不同材料体系下不同规格的锂离子动力电池在不同温度、不同倍率( 1C，2C)下放电电压，以及用三款动力电池具有的不同的额定容量、使用电流倍率来统一地对动力电池特性进行分析，如图3。
随着环境温度的降低，电池的放电电压均表现为快速下降趋势，动力电池功率特性恶化，且随着温度的降低，动力电池到达截止电压的时间缩短，说明其可用容量衰减严重，如图4。
通过对比可以发现，同等温度下，磷酸铁锂体系动力电池的衰减速率要高于18650型镍钴锰体系动力电池，这是由材料性能决定的。磷酸铁锂材料固有的低温导电性差，致使动力电池的低温特性衰减严重。
所以，温度越低，动力电池的初始端电压降幅也就越大。因为随着温度的降低，动力电池的阻抗增加，导致电池内阻的分压增大，因此电池的端电压降低。
动力电池进行低温放电初期，端电压有所回升，这种情况主要是由动力电池在放电过程中的产热导致的。
在低温条件下，随着放电倍率的增加，动力电池的功率特性和容量特性均存在衰减的问题。
若要更全面地了解温度和放电倍率对动力电池功率及容量特性的影响，可以用两款动力电池在不同放电倍率，不同温度下的可用容量比来分析，。
随着温度的降低，动力电池可用容量会衰减。动力电池容量会随着环境温度的降低而大幅下降。18650型镍钴锰体系动力电池在－30℃的0. 5C倍率放电和1C倍率放电容量均已衰减至25 ℃放电容量的50%左右时，2C恒流放电容量为0
通过数据对比可知，同等温度下，磷酸铁锂体系动力电池的衰减速率要高于18650型镍钴锰体系动力电池，这是由于磷酸铁锂材料的低温导电性较差导致的。
动力电池放电初始端电压不仅受温度影响，而且也受放电倍率的影响。随着温度的下降，动力电池初始放电端电压持续下降，主要是因为温度降低，动力电池内阻增大导致动力电池内部分压增加，如图8。
此外，随着温度的降低，动力电池在不同倍率下放电初始端电压的差异也更加明显。温度－30℃，0. 5C倍率放电初始电压比25℃时的初始电压仅仅下降了6. 8%，1C倍率放电初始电压比25℃时的放电初始电压下降了将近12. 7% ，2C倍率放电初始电压比25 ℃时的放电初始电压下降了将近22. 8% 。
低温大倍率放电时，动力电池的输出电压衰减也比较严重，影响动力电池的功率输出，在车用工况下，主要影响整车的加速和爬坡特性。
