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，甚至部分凝固，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、隔膜之間的相容性變差。

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)，其產(chǎn)物沉積導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）厚度新增。

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。

關(guān)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，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)面對的問題是：電解液粘度會變大，離子傳導(dǎo)速度變慢，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，充放電容量出現(xiàn)急劇降低。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，導(dǎo)致電池失效。

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，低溫下可以發(fā)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。電導(dǎo)率高，離子傳導(dǎo)速率越快，所受極化就越小，在低溫下電池的性能表現(xiàn)越好。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)，減小溶劑的粘度是提高電解液電導(dǎo)率的途徑之一。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，且RSEI為鋰離子電池在低溫環(huán)境下的重要阻抗。

專家二：限制鋰離子電池低溫性能的重要因素是低溫下急劇新增的Li+擴散阻抗，而并非SEI膜。

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)，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，是最早商用的鋰離子電池正極材料。其代表性物質(zhì)有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。

謝曉華等以LiCoO2/MCMB為研究對象，測試了其低溫充放電特性。

結(jié)果顯示，隨著溫度的降低，其放電平臺由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃)；其電池總?cè)萘恳灿?8.98mAh(0℃)銳減到68.55mAh(–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，由于不含Co元素，故而具有成本低、無毒性的優(yōu)勢。

然而，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。

彭正順等指出，不同制備方法對LiMn2O4正極材料的電化學(xué)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，且這一現(xiàn)象在鋰離子擴散系數(shù)上也有所體現(xiàn)。究其原因，重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。

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，和三元材料一起，成為目前動力鋰電池正極材料的主體。磷酸鐵鋰低溫性能差重要是因為其材料本身為絕緣體，電子導(dǎo)電率低，鋰離子擴散性差，低溫下導(dǎo)電性差，使得電池內(nèi)阻新增，所受極化影響大，電池充放電受阻，因此低溫性能不理想。

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。

Xing等利用納米碳對LiFePO4進行改性，發(fā)現(xiàn)，添加納米碳導(dǎo)電劑后，LiFePO4的電化學(xué)性能對溫度的敏感性降低，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%，高于不含納米碳導(dǎo)電劑的53.4%。

近來，LiMnPO4引起了人們濃厚的興趣。研究發(fā)現(xiàn)，LiMnPO4具有高電位(4.1V)、無污染、價格低、比容量大(170mAh/g)等優(yōu)點。然而，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。