鋰離子（zǐ）電池自從進入市場以來，以其壽命長、比容量大、無記憶效應（yīng）等（děng）優點（diǎn），獲得（dé）了廣泛的應用。鋰離子電池低溫使用（yòng）存在容量（liàng）低（dī）、衰減嚴重、循（xún）環倍率性能差、析鋰現象明顯（xiǎn）、脫嵌鋰不平衡等（děng）問題。然而，隨著應用領（lǐng）域不斷拓展，鋰離（lí）子電池的低溫性（xìng）能低劣帶來的製約愈（yù）加明（míng）顯。

據報道，在-20℃時鋰（lǐ）離子電池放電（diàn）容量隻（zhī）有室溫時的31.5%左右。傳統鋰離子電池工作溫度在-20~+55℃之間。但是在（zài）航空（kōng）航天、軍（jun1）工、電（diàn）動車等領域，要求電池能在-40℃正常（cháng）工作。因（yīn）此，改善鋰離子電池低溫（wēn）性質具有重大意義（yì）。

製（zhì）約（yuē）鋰離子電池低溫性能的因素

低溫環境下，電解（jiě）液的黏度增大，甚至部（bù）分凝固，導致鋰離子電池的導電率下降。低溫環境下電解液與負極、隔（gé）膜（mó）之間的相容性變差。低溫環境下鋰離子電池的負極析出鋰嚴重，並且（qiě）析出的金屬鋰與電解液反應，其產物沉（chén）積（jī）導致固態電解質界麵（SEI）厚度增加（jiā）。低溫環境下（xià）鋰離子電池在活性物質內部擴散係統降低，電荷轉移阻抗（Rct）顯（xiǎn）著增大。

對於影響鋰（lǐ）離子電池低溫（wēn）性能因素的探討

專家觀點一（yī）：電解液對鋰離子電池低溫（wēn）性能（néng）的影響最大，電解液的成分及物化性（xìng）能對電池低溫性能有重要影響。電池低溫下循（xún）環麵臨的問題是：電解液粘度會變大，離子傳導速度（dù）變慢，造成外電路電子遷移速度（dù）不匹配，因此電池出（chū）現嚴（yán）重極化，充放電容（róng）量出現（xiàn）急劇降低。尤其（qí）當低溫充電時，鋰離子（zǐ）很容易在負極表麵形成鋰枝晶，導（dǎo）致電池失效。

電解液的低（dī）溫（wēn）性能與電解（jiě）液（yè）自身電導率的大小關係密切，電導率大電解液的傳輸離子快，低溫下可（kě）以發揮出更多的容量。電解液中的鋰鹽解離的越多，遷移數（shù）目就越多，電導（dǎo）率就越高（gāo）。電導率高，離子傳導速率越快，所受極化就越小，在低溫（wēn）下電池的性（xìng）能表現越好（hǎo）。因此較高的電導率是實現鋰（lǐ）離子蓄電池良好低溫性能的必（bì）要條件。   

電（diàn）解（jiě）液的電（diàn）導率與電（diàn）解液的組成成分有關，減小溶劑的粘度是提高電解液電導率的途徑（jìng）之一。溶劑低溫下溶（róng）劑良好的流動性是離子運輸的保障，而低溫下電解液在負（fù）極所形（xíng）成的固體電解質膜也是影響鋰離子傳（chuán）導的關鍵（jiàn），且R_SEI為鋰（lǐ）離子（zǐ）電池在低溫環（huán）境（jìng）下的主要阻抗。

專家二：限製鋰（lǐ）離子電池低溫性能的主要因素（sù）是低溫下急劇增加的（de）Li⁺擴散阻（zǔ）抗（kàng），而並非（fēi）SEI膜。

鋰離子電池正極材料的低溫特性

1、層狀結構正極材料（liào）的（de）低溫特（tè）性

層狀結構，既擁有一維鋰離子擴散通道所不可比擬的倍率性能，又擁有三維通道的結（jié）構穩定性，是最早商用的鋰離子電池正極材料。其代表性物質有LiCoO₂、Li(Co_1-xNix)O₂和Li(Ni,Co,Mn)O₂等。

謝曉華等（děng）以LiCoO₂/MCMB為研究對象，測試（shì）了其低溫充放電特性。

結果顯（xiǎn）示，隨著溫度的降低，其放電平台（tái）由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃)；其電池（chí）總容量（liàng）也（yě）由78.98mA·h(0℃)銳減到68.55mA·h(–30℃)。

2、尖晶石結構正極材料的低（dī）溫特性

尖晶石結（jié）構LiMn₂O₄正極材料，由（yóu）於不含Co元素，故而具有成本低、無毒性（xìng）的優勢。

然（rán）而，Mn價態多變和Mn³⁺的Jahn-Teller效應，導致該組分（fèn）存在著結構不穩定和可逆性差等（děng）問題。

彭正順等指出（chū），不同（tóng）製備方（fāng）法對LiMn₂O₄正極（jí）材（cái）料的電化學性能影響較大，以R_ct為例：高溫（wēn）固相法合成的LiMn₂O₄的R_ct明顯高於溶膠（jiāo）凝膠法合成的，且這一現象在鋰離子擴散係數上也（yě）有所體現。究其（qí）原因，主要是由於不同合成方法對產物結（jié）晶度（dù）和（hé）形貌影響較大。

3、磷酸鹽體係正極材料的低溫特性

LiFePO₄因絕佳的體積穩定性和安全（quán）性（xìng），和（hé）三元材料一起，成（chéng）為目（mù）前動力電池正極材料的主體。磷酸鐵鋰低溫性能（néng）差主要是因為（wéi）其（qí）材料本身為絕緣體，電（diàn）子導電率低（dī），鋰（lǐ）離子擴散性差，低溫下導電性差（chà），使得電池內阻增加，所受極化影響大，電池充放電受阻，因此低溫性能不（bú）理想。

穀亦傑等在研究低溫下LiFePO₄的（de）充放電行為時發現，其庫倫效率從55℃的100%分別下降到（dào）0℃時（shí）的（de）96%和–20℃時的64%；放電電壓從（cóng）55℃時的3.11V遞減到–20℃時的2.62V。

Xing等利用納米碳對LiFePO₄進行改（gǎi）性，發現，添加納米碳導電劑後（hòu），LiFePO₄的電化學性能對溫度的敏感性降低（dī），低溫性能得到改善；改性（xìng）後LiFePO₄的放（fàng）電電（diàn）壓從25℃時的3.40V下降到–25℃時（shí）的3.09V，降低（dī）幅度僅為9.12%；且其在–25℃時電池效率為57.3%，高於不含納米碳導電劑（jì）的53.4%。

近（jìn）來，LiMnPO₄引起了人們濃厚的興趣。研究（jiū）發現，LiMnPO₄具有高電位(4.1V)、無汙染（rǎn）、價格低、比容量大(170mAh/g)等（děng）優點。然而，由於LiMnPO₄比LiFePO₄更低的離子電（diàn）導率（lǜ），故在實際中常（cháng）常利用Fe部分取代Mn形成LiMn_0.8Fe_0.2PO₄固溶體。

鋰離子電池負極材料的低溫特性

相（xiàng）對於正極材料而言，鋰離子電池負極材料的低溫惡（è）化現象更為（wéi）嚴重，主要有以下3個原因：

·低（dī）溫大倍（bèi）率充放（fàng）電時電池極化嚴重（chóng），負極表麵金屬鋰大量沉積，且金屬鋰與電解（jiě）液的反應產物一般不具有導電性；·從熱力學角（jiǎo）度，電解液中含有大（dà）量 C–O、C–N 等

極性基團，能與負極材料反應，所形成的 SEI 膜更易受低溫（wēn）影響（xiǎng）；·碳（tàn）負極在低溫下嵌鋰困難，存在充（chōng）放電不對稱性。

低溫電解液的研究

電解液在鋰離子（zǐ）電池中承擔著傳遞 Li+ 的作用，其離子電導率和 SEI 成膜性能對電池低溫性能影響顯著。判斷低溫用電解液（yè）優劣，有3個主要指標：離（lí）子電導率、電化學窗口和電（diàn）極反應活性。而這3個指標的水平，在很大（dà）程度上取決（jué）於其組成材料：溶劑（jì）、電解（jiě）質(鋰鹽)、添加劑（jì）。因此，電解液的各部分低溫（wēn）性能的研究，對理解和（hé）改善電池的低溫性能，具有重要的意義。

·EC 基（jī）電解液低溫特性相比鏈狀碳酸酯而言，環狀碳酸酯結構緊密、作用力（lì）大，具有較高的熔（róng）點和黏度。但是、環狀結構（gòu）帶來的大的極性，使其往往具有很大的介電常數。EC 溶劑的（de）大介電常（cháng）數、高離子導電率、絕佳（jiā）成膜性能，有效防止溶劑分子共插入，使其具有不可或缺的地（dì）位，所以，常用低溫電解液體係大都以EC為基，再混合低（dī）熔點的小分子溶（róng）劑。·鋰鹽是電解液的重要（yào）組成。鋰鹽在電解（jiě）液中不（bú） 僅能夠提高溶液的離（lí）子電導率（lǜ），還能降低（dī） Li+ 在溶液中的（de）擴（kuò）散距離。一般而言，溶液中的Li+濃度（dù）越大，其離子電導率也越大。但電解液中的鋰（lǐ）離子濃度與鋰鹽的濃（nóng）度並非呈線性相關，而是呈拋物線狀。這是因為，溶劑中鋰離子濃（nóng）度取決於鋰鹽（yán）在（zài）溶劑中的離解作用和締合作用的強弱。

低溫電解液的研究

除電池組成本身外，在實際操作中的工藝因素， 也會對電池性能產生很大影響。

(1) 製備工藝。Yaqub 等研究了電極荷載及 塗覆厚度對 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite 電（diàn）池低溫（wēn）性（xìng）能的影響發現，就容量保持率而言，電極荷載 越小，塗覆層越（yuè）薄，其低溫性能越好。

(2) 充放（fàng）電狀態。Petzl 等研究了低溫充放電（diàn） 狀態對電池循環壽（shòu）命的影響，發現，放電深度較大時，會引起較大（dà）的容量損失，且（qiě）降（jiàng）低循環壽（shòu）命。

(3) 其（qí）它因素。電（diàn）極的表麵積、孔徑、電極密度、電極與電解（jiě）液的潤濕（shī）性及隔膜等，均影響（xiǎng）著鋰離子電池的低溫性能。另外，材料和工藝的缺陷對電池低溫性能的影響也不（bú）容忽視。

總結

為保證鋰離子電池的低溫性能，需要做好以（yǐ）下幾點： 

(1) 形（xíng）成（chéng）薄而致密的 SEI 膜（mó）；

(2) 保證 Li+ 在（zài）活性物質中具有較大的擴散係（xì）數；

(3) 電解液在（zài）低溫下具有高的離子電導率。

此外，研究中還可另辟蹊（qī）徑，將目光投向另一類鋰離（lí）子電池——全固態鋰離子電池。相較常（cháng）規的鋰離子電池而（ér）言，全（quán）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（diàn）池在低溫下使用的容量衰減問題和循環安全問題。

本文由鋰博士整理摘錄於《鋰離子電池低溫特性研究（jiū）進展（zhǎn） 》一文（wén），原作者：趙世璽、郭雙濤等。