鋰離子電池（chí）自從進入市場以（yǐ）來，以其壽命長、比容量大（dà）、無記憶效應等優點，獲得了（le）廣泛的（de）應用（yòng）。鋰離子電池低溫使用存在容量低、衰減（jiǎn）嚴重、循環倍率（lǜ）性能差、析鋰現象明顯、脫嵌鋰不平衡等問題。然而，隨（suí）著應用領（lǐng）域（yù）不斷拓展（zhǎn），鋰離子電池的低溫性能低劣帶來的製約愈加明顯。

據報道，在-20℃時鋰離子電池放（fàng）電容量隻（zhī）有室溫時的（de）31.5%左右。傳統鋰離子電池（chí）工作（zuò）溫度在-20~+55℃之間。但是在航空航天、軍工、電動車等領域，要求電池能在-40℃正常工作。因此，改善鋰離子電池低溫性質具有重大意義（yì）。

製約鋰離子電池低溫性能（néng）的因素

低溫環境下（xià），電解液的黏度增大，甚至部（bù）分凝固，導致鋰離子電（diàn）池的導電率下降。低溫環境下電解液與負極、隔膜之（zhī）間的相容性變差。低溫環境下鋰離（lí）子電池的負極析出鋰嚴重，並且析出的金屬鋰與電解液反應（yīng），其產物沉積導致固態電解質界麵（SEI）厚度增（zēng）加（jiā）。低溫環境下（xià）鋰離子電池在活性物質內部擴散係統（tǒng）降低，電荷轉移阻抗（Rct）顯著增大。

對於影響鋰離子電池低溫性能因素的探討（tǎo）

專家觀點一：電解液對鋰離子電池低溫性能的（de）影（yǐng）響最大（dà），電解液（yè）的成分及物化性能對電（diàn）池低溫性能有重要影響。電池低溫下循環麵臨的問題是（shì）：電解液粘度會變（biàn）大，離子傳導速度變慢，造成外電路電子（zǐ）遷移速度不匹配，因此電池出現嚴重極化，充放電容量出（chū）現急劇（jù）降低。尤其當低溫充（chōng）電時，鋰離子很（hěn）容易在負（fù）極表麵（miàn）形成鋰（lǐ）枝晶，導致電池失效。

電解液的低溫性能與電解液自身電導率的大小關係密切，電導率大（dà）電解液的傳輸離（lí）子快，低溫下可（kě）以發揮（huī）出更多的容量。電解液中的鋰鹽解離的越（yuè）多，遷移數目就（jiù）越多，電導率就越高（gāo）。電導率高，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越好。因此較高的電導率是實現（xiàn）鋰離子蓄電池（chí）良好低溫性能的必（bì）要條件。   

電解（jiě）液（yè）的（de）電導率與電解液的組（zǔ）成成分有關，減小溶劑的粘度是提高電解液電（diàn）導率的途徑之一。溶（róng）劑低溫下溶劑良好的流動性是（shì）離子運輸的保障，而低溫（wēn）下電解液在負極所形成的固體電（diàn）解質膜也是影（yǐng）響鋰離子傳導的關鍵（jiàn），且R_SEI為鋰離子電池在低溫環境下的主要阻抗。

專家二（èr）：限製鋰離子電池低溫性能的（de）主要因（yīn）素是低溫下急劇增加的Li⁺擴散阻抗，而並非SEI膜。

鋰離（lí）子電池正極材料的低溫特性

1、層狀結構（gòu）正極材料的低溫特（tè）性

層（céng）狀結構，既擁有一維鋰離（lí）子擴（kuò）散通道所不（bú）可（kě）比擬的倍率性能，又擁有三維通道的結構穩定性，是最早商用的鋰離子電池正極材料。其代表性（xìng）物質（zhì）有LiCoO₂、Li(Co_1-xNix)O₂和Li(Ni,Co,Mn)O₂等。

謝曉華等以（yǐ）LiCoO₂/MCMB為研究（jiū）對象，測試了其低（dī）溫充（chōng）放電特性。

結果顯示，隨著溫度的降低，其（qí）放電（diàn）平台由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃)；其電（diàn）池總容量也由78.98mA·h(0℃)銳減到68.55mA·h(–30℃)。

2、尖晶石結構正極（jí）材料的低溫特性

尖晶石結構LiMn₂O₄正極材料，由（yóu）於不含Co元素，故而具有成本低、無毒（dú）性的優勢。

然而，Mn價態多變（biàn）和Mn³⁺的Jahn-Teller效應，導致該組分存在著結構不穩定和可逆（nì）性差等問題。

彭正順等指（zhǐ）出，不（bú）同製備方法對LiMn₂O₄正極材料的電化學性能影響較大，以R_ct為例（lì）：高溫固相法合成的LiMn₂O₄的R_ct明顯高於溶膠凝膠法合成的，且（qiě）這一現象在鋰（lǐ）離子擴散係數上（shàng）也有所體現。究其原因，主要是由於不同合成方法對產物結晶（jīng）度和形貌影響較大。

3、磷酸鹽體係正極材料的（de）低溫（wēn）特（tè）性

LiFePO₄因絕佳的體積穩定性和安全性，和三元材料一起，成為（wéi）目前動力電池正極材料的主（zhǔ）體。磷（lín）酸鐵鋰低溫性能差主（zhǔ）要是因為其材（cái）料本（běn）身為絕緣（yuán）體，電子導電率低，鋰離子擴散性（xìng）差，低溫下導電性差，使得電池內阻增加（jiā），所受極化（huà）影響大，電池充放電受阻，因此低（dī）溫性（xìng）能不理想。

穀亦傑等在研（yán）究低溫下LiFePO₄的充放（fàng）電行為時發（fā）現，其庫倫效率從55℃的100%分別下降到0℃時的96%和–20℃時的64%；放（fàng）電電壓從55℃時的3.11V遞減到–20℃時的2.62V。

Xing等利用納（nà）米碳對LiFePO₄進行改（gǎi）性，發現，添加納米碳導電劑後，LiFePO₄的電化學性能對溫度的敏感性降低，低溫性能得到改善；改性後LiFePO₄的放（fàng）電電壓從（cóng）25℃時的（de）3.40V下降到（dào）–25℃時的3.09V，降低（dī）幅度僅為9.12%；且（qiě）其在–25℃時電池效率為57.3%，高於不含（hán）納米碳（tàn）導電劑的53.4%。

近來，LiMnPO₄引起了人們濃厚的興趣。研究（jiū）發現（xiàn），LiMnPO₄具有高電位(4.1V)、無汙染、價格低、比容量大(170mAh/g)等優（yōu）點。然而，由（yóu）於（yú）LiMnPO₄比（bǐ）LiFePO₄更低的離（lí）子電導率，故在實際（jì）中常常利用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（tè）性

相對於正極材料而言，鋰離子電池（chí）負極材料的低溫惡化現象更為（wéi）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，負極表麵金屬鋰大量沉積，且（qiě）金（jīn）屬鋰與電解液的（de）反應（yīng）產物一般不（bú）具有（yǒu）導電性；·從熱力學角度（dù），電解液中含有（yǒu）大量 C–O、C–N 等

極性（xìng）基團，能與負（fù）極材料反應，所（suǒ）形成（chéng）的 SEI 膜更易受低溫影響；·碳（tàn）負極在低溫下嵌鋰困難，存在充放電不對稱性。

低溫電解液的研究

電解液在鋰離子電池中承（chéng）擔著傳遞 Li+ 的作用，其離子（zǐ）電導率和 SEI 成膜性能對電池低（dī）溫性能影響顯著。判斷低溫用電解液優劣，有3個主要指標：離子電導率、電化學窗口和（hé）電極反應活性。而這3個指標的水平，在很大（dà）程度上取決於其組成材料：溶劑（jì）、電解質(鋰鹽)、添（tiān）加劑。因此，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（wēn）性能，具有重要的意義。

·EC 基電解（jiě）液低溫特性相比鏈狀碳酸酯而言（yán），環狀碳酸酯結構緊密、作用（yòng）力大，具有較高的熔點和（hé）黏度。但（dàn）是、環狀結構帶來（lái）的（de）大的（de）極性（xìng），使其往往具有很大（dà）的介電（diàn）常（cháng）數。EC 溶劑的大介（jiè）電常數、高離子導電率、絕佳成膜性（xìng）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，再混合低熔點的小分（fèn）子溶劑。·鋰鹽是電解液的重要組成。鋰鹽（yán）在電解液（yè）中不 僅能夠提高溶液的離子電導（dǎo）率，還能降低 Li+ 在溶液中的擴散距離（lí）。一般而（ér）言，溶液中的Li+濃度越大，其離子電（diàn）導率也越大。但電解液中的鋰離子濃（nóng）度與鋰鹽的濃度並非呈線性相關，而是呈拋物線狀。這是因為，溶劑中鋰離子濃度取決（jué）於鋰鹽在溶劑中的（de）離解（jiě）作用和締合作用的強弱。

低溫（wēn）電（diàn）解（jiě）液的研究

除（chú）電（diàn）池組成本身（shēn）外，在實際操作（zuò）中（zhōng）的工藝因素， 也會對（duì）電（diàn）池（chí）性能（néng）產生很（hěn）大影響。

(1) 製備工（gōng）藝。Yaqub 等研究了電極荷載及 塗覆厚度對 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite 電池低溫（wēn）性能（néng）的影響發現，就容量保（bǎo）持率而言，電（diàn）極荷載 越小（xiǎo），塗覆層越薄，其（qí）低溫性能越好。

(2) 充放電（diàn）狀態（tài）。Petzl 等研究了低溫充放電 狀態對電池循環壽命的影響，發現，放電深度較大時，會引起較（jiào）大的容量損失，且降低循環壽命。

(3) 其它（tā）因（yīn）素。電（diàn）極的表麵積、孔（kǒng）徑、電（diàn）極密度、電極與電解液的潤濕性及（jí）隔膜等，均影響著鋰離子（zǐ）電池的低溫（wēn）性能（néng）。另外，材料和工藝的缺陷對電池（chí）低溫性能的影（yǐng）響也不容忽視。

總結

為保證（zhèng）鋰離子電池（chí）的低溫性能，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（jiào）大的擴散係數；

(3) 電解液在低溫下具有高的離子電導率。

此外，研究（jiū）中還可另辟蹊徑，將目光投向另一（yī）類鋰離子電池——全固態鋰離子電池（chí）。相較常規（guī）的（de）鋰（lǐ）離子電池而言，全固態鋰離子電池，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（zǐ）電池低溫特性研究進展 》一文，原作者（zhě）：趙世璽、郭雙濤等。