鉅大LARGE | 點擊量：310次 | 2023年06月02日
影響了鋰離子動力鋰電池在高低溫度下的性能表現的原因是什么
3月1日，四部委印發的《促進汽車動力電池產業發展行動方案》通知中還有一條關于鋰離子動力電池的使用環境的溫度目標：“。。。使用環境達-30℃到55℃。。?！?。這里提出了動力電池的溫度要求：電池在低溫-30℃、高溫55℃可以使用，但是沒有明確說明是電池單體、模塊或電池包/系統，也沒有說明在這個溫度范圍內如何使用電池(或者說沒有提出在這個溫度范圍的性能要求)，特別是低溫-30℃的要求(比如在此溫度下放電容量要求、功率要求等)。
關于動力電池在高溫或低溫下的要求，首先來看一下相關的法規標準是如何規定的：
1.QC/T743-2006電動汽車用鋰離子蓄電池。這是之前實行的老的電池標準，跟高溫、低溫相關的要求主要是針對單體電池的：
-20±2℃下C/3放電容量不小于額定值的70%
55±2℃下C/3放電容量不小于額定值的95%
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
55±2℃下100%SOC存儲7天后荷電保持率不低于額定值80%，容量恢復不小于額定值90%
2.GB/T31486-2015電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗要求。這是關于單體電池和模塊的最新國標要求，其中關于電池模塊在高溫和低溫下的性能要求為：
在-20±2℃下的1C放電容量不低于初始容量的70%
在55±2℃下的1C放電容量不低于初始容量的90%
在55±2℃下100%SOC存儲7天后，其荷電保持率不低于初始容量的85%，容量恢復應不低于初始容量的90%
3.GB/T31467.1/2-2015電動汽車用鋰離子動蓄電池和系統第1/2部分：高功率/高能量應用測試規程。該標準系列是關于電池包/系統的要求，僅僅提供測試方法，并不提供具體要求。跟高、低溫相關的要求為：
容量和能量測試(這是1C的持續放電)的最高、最低溫度為：40℃和-20℃
功率和內阻測試(短時間大電流放電)的最高、最低溫度為：40℃和-20℃
無附載容量損失測試，最高溫度是40℃
存儲中容量損失測試，最高溫度為45℃
高低溫啟動功率測試，最高溫度、最低溫度為：40℃和-20℃
能量效率測試，最高溫度、最低溫度為：40℃和-20℃
取最大值和最小值，可以看到目前標準對溫度的要求是：
電池單體和模塊：-20~55℃
電池包/電池系統：-20~45℃
對比《促進汽車動力電池產業發展行動方案》的目標可以看到：
1.電池單體/模塊
高溫目標與現行單體/模塊高溫一致
低溫目標比現行標準低10℃，達到-30℃
2.電池包/系統
高溫目標比現行電池包/系統溫度高10℃，達到55℃
低溫目標比現行標準低10℃，達到-30℃
這里看一下影響低溫性能的因素。通過對比容量和電解液電導率關系(圖2)可以看到，溫度越低，電池電解液的電導率越低。當電導率下降之后，溶液傳導活性離子的能力就下降，表現為電池內部反應的阻力就會增加(這個阻力在電化學里面用阻抗表示)，造成放電能力下降，即容量下降。更進一步，通過測量電池內部各部分(正極、負極、電解液)阻抗可以看到各部分對電池阻抗的影響(圖3)。當溫度<-10℃左右，正極、負極(圖中以石墨為例)的界面阻抗快速增加，而電解液的阻抗大概在-20℃左右之后快速上升，這幾個阻抗綜合結果就表現為電池阻抗在<-10℃左右快速上升(圖中用Li-ioncell表示)。
法國著名電池公司Saft曾經通過2Ah圓柱電池(正極材料NCM，使用PVdF粘結劑，負極材料碳，使用CMC/SBR粘結劑)研究了高溫對電池性能的的影響，對比了兩個電池在不同高溫下的情況：
·B2電池-首先在60℃循環2次，然后在85℃下循環
·B3電池-首先在60℃循環2次，然后在120℃下循環
采用圖5的模型說明高溫120℃下電池正極的變化。在120℃下，部分正極粘結劑PVdF從Part1區域遷移到正極表面，這造成Part1區域的粘結劑含量下降，活性材料NMC材料由于粘結劑的缺失，造成了電化學反應的能力下降。在Part2區域，這部分是正極的主體，粘結劑含量正常，高溫影響不大，活性材料可以正常進行反應。
通過分析負極表面可以看到高溫對負極的影響(圖6)。圖6a是負極的初始狀態，在85℃下循環之后，負極表面出現了常見的固體電解質相(圖6b負極表面被新生成的物質覆蓋，造成表面形貌跟初始形貌的不同，有些小的球形物質。SEI：SolidElectrolyteInterface)。當溫度上升在120℃時，生成了更多的SEI(圖6c，負極表面被更多的顆粒覆蓋)，消耗了更多的活性鋰離子，造成了容量的下降。
總的來說，影響電池高溫、低溫的因素可以概括為：電解液的電導率、界面阻抗、SEI膜等，這些因素綜合作用在一起，影響了電池的性能。一般的來說，提高電池各組分的電導率或者導電性(包括選擇導電性更好的活性材料、優化電解液成分、改善負極SEI膜成分、抑制正極表面物質的溶出等)，從而降低電池整體的阻抗，對于提升高溫、低溫性能是有所幫助的。鋰離子電池對溫度的適應性就跟人體一樣，過高、過低的溫度都不利于其發揮最大的功能，選擇合適的材料、優化結構設計、定制合適的使用條件，才能充分發揮其性能。
