據(jù)報道尽瑰，在-20℃時鋰離子電池放電容量只有室溫時的31.5%左右。傳統(tǒng)鋰離子電池工作溫度在-20~+55℃之間馒脏。但是在航空航天奠拢、軍工、電動車等領(lǐng)域蚣碰，要求電池能在-40℃正常工作揖膜。因此誓沸，改善鋰離子電池低溫性質(zhì)具有重大意義梅桩。
制約鋰離子電池低溫性能的因素
低溫環(huán)境下，電解液的黏度增大拜隧，甚至部分凝固宿百，導(dǎo)致鋰離子電池的導(dǎo)電率下降。
低溫環(huán)境下電解液與負極洪添、隔膜之間的相容性變差垦页。
低溫環(huán)境下鋰離子電池的負極析出鋰嚴重，并且析出的金屬鋰與電解液反應(yīng)干奢，其產(chǎn)物沉積導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度增加痊焊。
低溫環(huán)境下鋰離子電池在活性物質(zhì)內(nèi)部擴散系統(tǒng)降低，電荷轉(zhuǎn)移阻抗(Rct)顯著增大忿峻。
對于影響鋰離子電池低溫性能決定性因素的探討
專家觀點一 ： 電解液對鋰離子電池低溫性能的影響最大薄啥，電解液的成分及物化性能對電池低溫性能有重要影響。電池低溫下循環(huán)面臨的問題是：電解液粘度會變大逛尚，離子傳導(dǎo)速度變慢垄惧，造成外電路電子遷移速度不匹配，因此電池出現(xiàn)嚴重極化街赊，充放電容量出現(xiàn)急劇降低搜计。尤其當?shù)蜏爻潆姇r，鋰離子很容易在負極表面形成鋰枝晶娘介，導(dǎo)致電池失效杉藐。
電解液的低溫性能與電解液自身電導(dǎo)率的大小關(guān)系密切，電導(dǎo)率大電解液的傳輸離子快用载，低溫下可以發(fā)揮出更多的容量攒置。電解液中的鋰鹽解離的越多，遷移數(shù)目就越多灾纱，電導(dǎo)率就越高爵倚。電導(dǎo)率高，離子傳導(dǎo)速率越快时损，所受極化就越小也您，在低溫下電池的性能表現(xiàn)越好勤焕。因此較高的電導(dǎo)率是實現(xiàn)鋰離子蓄電池良好低溫性能的必要條件。
電解液的電導(dǎo)率與電解液的組成成分有關(guān)愕炸，減小溶劑的粘度是提高電解液電導(dǎo)率的途徑之一疮丛。溶劑低溫下溶劑良好的流動性是離子運輸?shù)谋Ｕ希蜏叵码娊庖涸谪摌O所形成的固體電解質(zhì)膜也是影響鋰離子傳導(dǎo)的關(guān)鍵辆它，且RSEI為鋰離子電池在低溫環(huán)境下的主要阻抗誊薄。
專家觀點二 ： 限制鋰離子電池低溫性能的主要因素是低溫下急劇增加的Li+擴散阻抗，而并非SEI膜锰茉。
鋰離子電池正極材料的低溫特性
1層狀結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性
層狀結(jié)構(gòu)呢蔫，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(gòu)穩(wěn)定性飒筑，是最早商用的鋰離子電池正極材料片吊。其代表性物質(zhì)有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等协屡。
謝曉華等以LiCoO2/MCMB為研究對象俏脊，測試了其低溫充放電特性。
結(jié)果顯示肤晓，隨著溫度的降低爷贫，其放電平臺由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃);其電池總?cè)萘恳灿?8.98mA·h(0℃)銳減到68.55mA·h(–30℃)。
2尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料的低溫特性
尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn2O4正極材料补憾，由于不含Co元素惯篇，故而具有成本低、無毒性的優(yōu)勢猎递。
然而库忽，Mn價態(tài)多變和Mn3+的Jahn-Teller效應(yīng)，導(dǎo)致該組分存在著結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和可逆性差等問題乡试。
彭正順等指出拌九，不同制備方法對LiMn2O4正極材料的電化學性能影響較大，以Rct為例：高溫固相法合成的LiMn2O4的Rct明顯高于溶膠凝膠法合成的吻蟹，且這一現(xiàn)象在鋰離子擴散系數(shù)上也有所體現(xiàn)恐丧。究其原因，主要是由于不同合成方法對產(chǎn)物結(jié)晶度和形貌影響較大果邢。
3磷酸鹽體系正極材料的低溫特性
LiFePO4因絕佳的體積穩(wěn)定性和安全性晚沙，和三元材料一起，成為目前動力電池正極材料的主體辙恨。磷酸鐵鋰低溫性能差主要是因為其材料本身為絕緣體喝赎，電子導(dǎo)電率低，鋰離子擴散性差赡模，低溫下導(dǎo)電性差田炭，使得電池內(nèi)阻增加师抄，所受極化影響大，電池充放電受阻教硫，因此低溫性能不理想叨吮。
谷亦杰等在研究低溫下LiFePO4的充放電行為時發(fā)現(xiàn)，其庫倫效率從55℃的100%分別下降到0℃時的96%和–20℃時的64%;放電電壓從55℃時的3.11V遞減到–20℃時的2.62V瞬矩。
Xing等利用納米碳對LiFePO4進行改性茶鉴，發(fā)現(xiàn)，添加納米碳導(dǎo)電劑后景用，LiFePO4的電化學性能對溫度的敏感性降低涵叮，低溫性能得到改善;改性后LiFePO4的放電電壓從25℃時的3.40V下降到–25℃時的3.09V，降低幅度僅為9.12%;且其在–25℃時電池效率為57.3%丛肢，高于不含納米碳導(dǎo)電劑的53.4%围肥。
近來，LiMnPO4引起了人們濃厚的興趣蜂怎。研究發(fā)現(xiàn)，LiMnPO4具有高電位(4.1V)置尔、無污染登彪、價格低、比容量大(170mAh/g)等優(yōu)點城搀。然而标狼，由于LiMnPO4比LiFePO4更低的離子電導(dǎo)率，故在實際中常常利用Fe部分取代Mn形成LiMn0.8Fe0.2PO4固溶體诞茶。
鋰離子電池負極材料的低溫特性
相對于正極材料而言纠徘，鋰離子電池負極材料的低溫惡化現(xiàn)象更為嚴重，主要有以下 3 個原因：
低溫大倍率充放電時電池極化嚴重哆幸，負極表面金屬鋰大量沉積，且金屬鋰與電解液的反應(yīng)產(chǎn)物一般不具有導(dǎo)電性;
從熱力學角度，電解液中含有大 量 C–O眉堪、C–N 等極性基團错这，能與負極材料反應(yīng)，所 形成的 SEI 膜更易受低溫影響;
碳負極在低溫下嵌鋰困難卿俺，存在充放電不對稱性鬓预。
低溫電解液的研究
電解液在鋰離子電池中承擔著傳遞 Li+ 的作用， 其離子電導(dǎo)率和 SEI 成膜性能對電池低溫性能影響 顯著颜说。判斷低溫用電解液優(yōu)劣购岗，有3個主要指標： 離子電導(dǎo)率、電化學窗口和電極反應(yīng)活性门粪。而這3個指標的水平喊积，在很大程度上取決于其組成材料： 溶劑马僻、電解質(zhì)(鋰鹽)、添加劑注服。因此韭邓，電解液的各部分低溫性能的研究，對理解和改善電池的低溫性 能溶弟，具有重要的意義女淑。
EC 基電解液低溫特性相比鏈狀碳酸酯而言，環(huán)狀碳酸酯結(jié)構(gòu)緊密辜御、作用力大鸭你，具有較高的熔點和黏度。但是擒权、環(huán)狀結(jié)構(gòu)帶來的大的極性袱巨， 使其往往具有很大的介電常數(shù)。EC 溶劑的大介電常數(shù)逊床、高離子導(dǎo)電率遥喘、絕佳成膜性能， 有效防止溶劑分子共插入蚪库，使其具有不可或缺的地位纯殖，所以，常用低溫電解液體系大都以 EC 為基人杜， 再混合低熔點的小分子溶劑动荚。
鋰鹽是電解液的重要組成。鋰鹽在電解液中不 僅能夠提高溶液的離子電導(dǎo)率皱蝙，還能降低 Li+ 在溶液中的擴散距離悉通。一般而言，溶液中的Li+濃度越大矮层，其離子電導(dǎo)率也越大滤填。但電解液中的鋰離子濃度與鋰鹽的濃度并非呈線性相關(guān)，而是呈拋物線狀殉俗。這是因為圾纤，溶劑中鋰離子濃度取決于鋰鹽在溶劑中的離解作用和締合作用的強弱。
低溫電解液的研究
除電池組成本身外倦逐，在實際操作中的工藝因素譬正， 也會對電池性能產(chǎn)生很大影響。
(1) 制備工藝檬姥。Yaqub 等研究了電極荷載及 涂覆厚度對 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite 電池低溫性能的影響發(fā)現(xiàn)曾我，就容量保持率而言，電極荷載 越小，涂覆層越薄抒巢，其低溫性能越好贫贝。
(2) 充放電狀態(tài)。Petzl 等研究了低溫充放電 狀態(tài)對電池循環(huán)壽命的影響蛉谜，發(fā)現(xiàn)稚晚，放電深度較大 時，會引起較大的容量損失型诚，且降低循環(huán)壽命客燕。
(3) 其它因素。電極的表面積狰贯、孔徑张鸟、電極密度、電極與電解液的潤濕性及隔膜等吼闽，均影響著鋰離子電池的低溫性能牌度。另外，材料和工藝的缺陷對電池低溫性能的影響也不容忽視驱香。
為保證鋰離子電池的低溫性能揖蜒，需要做好以下幾點：
(1) 形成薄而致密的 SEI 膜;
(2) 保證 Li+ 在活性物質(zhì)中具有較大的擴散系數(shù);
(3) 電解液在低溫下具有高的離子電導(dǎo)率。
此外摇昌，研究中還可另辟蹊徑泉档，將目光投向另一類鋰離子電池——全固態(tài)鋰離子電池。相較常規(guī)的 鋰離子電池而言净耍，全固態(tài)鋰離子電池，尤其是全固態(tài)薄膜鋰離子電池培按，有望徹底解決電池在低溫下使用的容量衰減問題和循環(huán)安全問題嘉警。
