如何提高低电池温度的性能 - 有用的指南

离子电池以其比能量和功率密度高、循环寿命长、环境友好等优点，在消费电子、电动汽车、储能等领域得到广泛应用。作为新能源汽车的动力来源，我们更应该关注电池温度的问题。例如，低温条件下能量密度显着降低，循环寿命也相应受到影响。

电池温度低时电解液粘度增加，电导率下降；这也严重限制了锂离子电池的规模化使用。目前，造成锂离子电池低温性能不佳的主要因素有以下几点：

1. 电解质/电极界面膜阻抗和电荷转移阻抗增加；
2. 锂离子在活性物质体内的迁移速度降低。结果，在低电池温度下电极的极化增加，并且充放电容量降低。

另外，电池 低温充电时，尤其是电池 低温高倍率充电时，金属锂会析出沉积在负极上，析出的金属锂容易与电解液发生不可逆反应，消耗大量电解液.

同时进一步增加SEI膜的厚度，导致负极表面膜的电池阻抗进一步增加，电池的极化再次增加，这将大大损害电池的温度性能、 电池 寿命和电池的安全性能。

正极材料影响锂电池制造

正极材料是制造锂离子电池的关键材料之一，其性能直接影响电池的各项指标，而材料的结构对锂离子电池的电池温度性能有重要 影响。 橄榄石结构的磷酸铁锂具有放电比容量高、放电平台稳定、结构稳定、循环性能优良、原料丰富等优点。

是锂离子动力电池的主流正极材料。但磷酸铁锂属于Pnma空间群，P占据四面体位置，过渡金属M占据八面体位置，Li原子沿[010]轴一维方向形成迁移通道，该一维离子通道导致仅限于锂离子。

 

以单一方式有序脱出或嵌入严重影响了锂离子在材料中的扩散能力。尤其是在低电池 温度下，锂离子在体内的扩散进一步受阻，导致阻抗增加，导致极化更加严重，电池 温度性能变差。富锂锰基层状正极材料具有更高的放电比容量，有望成为下一代锂离子电池正极材料。

但富锂锰基在实际应用中存在诸多问题：第一不可逆容量高，充放电过程中容易由层状结构转变为尖晶石结构，从而堵塞Li+的扩散通道由于迁移的过渡金属离子，导致容量衰减严重，同时其自身的离子和电子导电性不好，导致倍率性能和电池温度性能 较差。

提高正极材料在低 电池温度下的离子扩散性能的主要途径有：

• 采用导电性能优良的材料包覆活性物质体表面，增加正极材料界面的导电性，降低界面阻抗，减少正极材料与电解液的副反应，稳定材料结构。
• 通过Mn、Al、Cr、Mg、F等元素对材料体进行体相掺杂，增加材料的层间距以提高Li+在体内的扩散速率，降低Li+的扩散阻力，提高 电池的电池 温度性能。
• 减小材料粒径，缩短Li+迁移路径。需要指出的是，这种方法会增加材料的比表面积，从而增加与电解液的副反应。

锂电池中的电解液

电解液作为锂离子电池的重要组成部分，不仅决定Li+在液相中的迁移速率，还参与SEI膜的形成，对SEI膜的性能起着关键作用。

在低电池 温度下，电解液粘度增加，电导率下降，SEI膜阻抗增加，与正负极材料的相容性变差，使电池的能量密度和循环性能大大恶化。

目前，通过电解液改善电池温度性能的途径有两种： 1. 通过优化溶剂成分和使用新型电解质盐来提高电解液的电池温度电导率；2、使用新型添加剂改善SEI膜的性能，使其在低电池 温度下有利于Li+传导。

优化溶剂成分

电解液的电池 温度 性能主要由其 电池 温度共晶点决定。如果熔点过高，电解液在低电池温度下容易结晶析出 ，严重影响电解液的导电性。

碳酸亚乙酯（EC）是电解液的主要溶剂成分，但其​​熔点为36℃，电池温度低时其在电解液中的溶解度降低甚至析出，对电池的低温性能影响很大 。电池。

通过添加低熔点、低粘度组分，降低溶剂中EC含量，可以有效降低低电池 温度下电解液的粘度和共晶点，提高电解液的导电性。

 

新电解质盐和低电池温度

电解质盐是电解液的重要成分之一，是获得优异 电池 温度性能的关键因素。目前市售的电解质盐为六氟磷酸锂，其形成的SEI膜电阻较高，导致 电池 温度性能较差。开发新型锂盐迫在眉睫。

四氟硼酸锂阴离子半径小，易缔合，电导率低于LiPF6，但低 电池温度下的电荷转移电阻小，作为电解质盐具有良好的 电池 温度性能。

LiTFSI作为一种新型锂盐，热稳定性高，阴阳离子缔合度低，在碳酸盐体系中溶解度和离解度高。处于低位 电池温度，LiFSI系统电解液的高电导率和低电荷转移电阻保证了其 电池 温度性能。曼达尔等。以LiTFSI为锂盐，EC/DMC/EMC/PC（质量比15:37:38:10）为基础溶剂，得到的电解液在-40℃时仍具有2mS cm-1的高电导率。

添加剂对低温有影响

SEI膜对电池的低温性能有非常重要的影响 。它是离子导体和电子绝缘体，是Li+从液相到达电极表面的通道。在低电池 温度下，SEI膜的电阻增加，Li+在SEI膜中的扩散速率急剧下降，加深了电极表面的电荷积累，导致石墨嵌锂能力下降，极化增加。

通过优化SEI膜的成分和成膜条件，提高SEI膜在低电池 温度下的离子电导率，有利于电池 低温性能的提升。因此，开发具有优异电池 温度性能的成膜添加剂 是当前的研究热点。电解液的电导率和膜电阻对 锂离子电池的电池 温度性能有重要影响。

对于 电池耐温电解液，应从电解液溶剂体系、锂盐和添加剂三个方面进行综合优化。电解液溶剂应选用低熔点、低粘度、高介电常数的溶剂体系。线型羧酸盐溶剂低温性能优异，但对循环性能影响较大，需要与高介电常数的环状碳酸相匹配。

EC 和 PC 等酯类用于混合物中；对于锂盐和添加剂，主要考虑的是降低成膜阻抗，提高锂离子的迁移速率。另外，在低温下适当提高锂盐的浓度，可以提高电解液的电导率，提高性能。

 

合适的负极材料

锂离子在碳负极材料中较差的扩散动力学是限制锂离子电池电池温度性能的 主要原因 。因此，锂电池充电过程中负极的电化学极化明显加剧，容易导致金属锂在负极表面析出。

选择合适的负极材料是提高电池耐温性能的关键 因素 。目前 主要通过负极表面处理、表面包覆、掺杂增加层间距、粒径控制等方式优化电池 温度性能。

表面处理

表面处理包括表面氧化和氟化。表面处理可以减少石墨表面的活性位点，减少不可逆容量损失，产生更多的微纳米结构孔隙，有利于Li+传输，降低阻抗。

表面涂层

碳包覆、金属包覆等表面包覆，不仅可以避免负极与电解液的直接接触，提高电解液与负极的相容性，还可以提高石墨的导电性，提供更多的嵌锂位点。

不可逆容量减少。此外，软碳或硬碳材料的层间距比石墨大，在负极包覆一层软碳或硬碳材料有利于锂离子的扩散，降低SEI的电阻膜，从而提高 电池的电池 温度性能。负极材料通过表面包覆少量Ag提高了导电性，使其在 电池 温度下具有优异的电化学性能。

 

增加石墨层间距

石墨负极层间距小，低电池 温度下锂离子在石墨层间的扩散速率降低，导致极化加剧。在石墨制备过程中引入B、N、S、K等元素，可以改变石墨的结构。

石墨的层间距可以提高其脱/嵌锂的能力。P的原子半径（0.106pm）大于C的原子半径（0.077pm）。掺杂P可以增加石墨的层间距，增强锂离子的扩散能力。

同时，可能提高碳材料中石墨微晶的含量。在碳材料中引入K会形成插层化合物KC8，脱钾时碳材料层间距增大，有利于锂的快速嵌入，从而提高电池温度 性能 。

控制负极粒径

负极粒径越大，锂离子扩散路径越长，扩散阻力越大，导致浓差极化加剧， 电池 耐温性能差。因此，适当减小负极材料的粒径，可以有效缩短锂离子在石墨层间的迁移距离，降低扩散阻力，增加锂离子电池电解液润湿面积，改善电池 低温性能。

此外，由粒径小的单颗粒造粒的石墨负极具有较高的各向同性，可以提供更多的嵌锂位点，减少极化，还可以显着改善电池的低温性能 。

结论

为了提高 电池 温度性能，应综合考虑电池正极、负极、电解液等综合因素的影响，通过优化电解液溶剂、添加剂和锂的组成，提高电解液的导电性盐，同时降低成膜阻抗。

电极材料通过掺杂、包覆、细粒化等方式进行改性，优化材料结构，降低活性物质体内的界面电阻和Li+扩散阻力。通过对电池系统的整体优化，降低了 锂电池在低电池 温度下的极化现象，进一步提升了电池 温度性能。