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鋰電池最怕是低溫？鋰電池低溫性能不斷突破 不怕天冷！
天冷了，原本能量滿滿的鋰電池，容量上都要打一個(gè)折扣，鋰電池似乎進(jìn)入了冬眠狀態(tài)，這給新能源汽車以及數(shù)碼產(chǎn)品用戶帶來不小的煩惱。今天這篇文章關(guān)注的話題，就是低溫對(duì)鋰電池的影響以及業(yè)界的研發(fā)進(jìn)展情況。
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鋰電池最怕是低溫？
在美國汽車協(xié)會(huì)進(jìn)行的測試中，一輛電動(dòng)汽車在75華氏度（約合24℃）時(shí)的續(xù)航里程為105英里（約合169公里），20華氏度（約合7℃）時(shí)候就會(huì)降至43英里（約合69公里）——下降幅度高達(dá)60%。電池與人有幾分相似之處，氣候轉(zhuǎn)冷后就不那么活躍，鉛蓄電池、鋰電池和燃料電池等都會(huì)受到低溫的影響，只是程度不同而已。
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以電動(dòng)客車上使用最多的磷酸鐵鋰電池為例，這種電池安全性高，單體壽命較長，但低溫性能比其他技術(shù)體系的電池略差。低溫對(duì)磷酸鐵鋰的正負(fù)極、電解液和粘接劑等都存在影響。比如，磷酸鐵鋰正極本身電子導(dǎo)電性比較差，低溫環(huán)境下容易產(chǎn)生極化，從而降低電池容量；受低溫影響，石墨嵌鋰速度降低，容易在負(fù)極表面析出金屬鋰，如果充電后擱置時(shí)間不足而投入使用，金屬鋰無法全部再次嵌入石墨內(nèi)部，部分金屬鋰持續(xù)存在負(fù)極的表面，極有可能形成鋰枝晶，影響電池安全；低溫下，電解液黏度會(huì)增加，鋰離子遷移阻抗也會(huì)隨之增大；此外，在磷酸鐵鋰的生產(chǎn)工藝中，粘接劑也是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，低溫對(duì)粘接劑的性能也會(huì)產(chǎn)生較大影響。
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同樣是鋰電池，鈦酸鋰電池的耐低溫性能則比較優(yōu)異。尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料嵌鋰電位約1.5V，不會(huì)形成鋰枝晶，在充放電過程中體積應(yīng)變小于1%。納米化的鈦酸鋰電池可大電流充放電，實(shí)現(xiàn)了低溫快充的同時(shí)又保障了電池的耐久性和安全性。比如，主打鈦酸鋰電池的銀隆新能源，其產(chǎn)品具備在-50-60℃的正常充放電能力。
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盡管以石墨為負(fù)極的鋰離子電池可以在-40℃下放電，但要在-20℃及更低溫度下實(shí)現(xiàn)常規(guī)電流充電則比較困難，這也是業(yè)內(nèi)正在積極探索的一個(gè)領(lǐng)域。
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業(yè)內(nèi)對(duì)耐低溫鋰電池的探索
業(yè)內(nèi)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)對(duì)電池耐低溫性能的探索和攻關(guān)，多著眼于對(duì)現(xiàn)有正負(fù)極材料的工藝改進(jìn)，以及通過提高電池的局部環(huán)境溫度為電池在低溫下工作創(chuàng)造條件。
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現(xiàn)在的電池材料在走向納米化，材料的粒徑、電阻力、AB平面軸長大小三方面會(huì)影響電池的低溫特性。沃特瑪通過三種工藝制備磷酸鐵鋰材料，采用不同的工藝將其納米化和進(jìn)行包覆，結(jié)果顯示，AB面軸長的增大使鋰離子遷移通道變大，這有利于提高電池的倍率性能；從三種工藝生產(chǎn)的材料來看，層間距大的顆粒石墨，本體阻抗和離子遷移阻抗比較小；電解液方面，沃特瑪在固定溶劑體系和鋰鹽基礎(chǔ)上，使用低溫添加劑，將放電容量從85%提高到90%。據(jù)了解，早在2016年底時(shí)，沃特瑪已經(jīng)實(shí)現(xiàn)-20、-30、-40℃的環(huán)境里下，0.5C充電恒流比達(dá)62.9%，-20℃實(shí)現(xiàn)放電94%。目前，沃特瑪?shù)牡蜏仉姵匾呀?jīng)在內(nèi)蒙古、東北三省等地區(qū)大范圍推廣。
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8月31日，北京理工大學(xué)等科研團(tuán)隊(duì)宣布全氣候電池產(chǎn)品研發(fā)成功。技術(shù)人員利用金屬絲通電生熱的原理，在電芯上加裝鎳箔片，鎳箔片通電產(chǎn)生熱量，使電池內(nèi)部溫度升高。達(dá)到一定溫度后，箔片會(huì)自動(dòng)斷開以保障電池安全。據(jù)了解，在-30℃的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的電池，30秒即能快速升溫至0℃以上，放電功率提高6倍以上，充電功率則提高10倍以上。該團(tuán)隊(duì)相關(guān)人員表示，該技術(shù)并不改變電池原有結(jié)構(gòu)，且改造成本極低，適用于鉛酸電池、鋰電池等各類電池。據(jù)電池中國網(wǎng)了解，采用該技術(shù)的全氣候電動(dòng)汽車將于2017年12月底發(fā)布，預(yù)計(jì)2020年完成4種車型共11輛產(chǎn)品樣車的開發(fā)，并開始示范運(yùn)行。
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據(jù)媒體報(bào)道，在9月20日落幕的2017年“創(chuàng)客中國”新疆創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽上，中科院新疆理化所博士王磊領(lǐng)銜開發(fā)的“全氣候鋰電池”奪得創(chuàng)客組一等獎(jiǎng)，這種鋰電池可在-40℃~60℃的環(huán)境中穩(wěn)定工作。目前，該團(tuán)隊(duì)已完成了各種高低溫條件下的產(chǎn)品測試工作，即將進(jìn)入商業(yè)化產(chǎn)品生產(chǎn)階段。
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2017年9月19日，70輛搭載微宏MpCO鋰電池的12米氣電混合動(dòng)力公交車正式在內(nèi)蒙古包頭上線。該地區(qū)最低氣溫在-30℃以下，最高氣溫可達(dá)39℃，包頭選用微宏快充電池系統(tǒng)，正是考慮到微宏快充電池優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性。
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山東威能是一家專業(yè)從事軍用低溫磷酸鐵鋰電池的研發(fā)、生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，與中科院化學(xué)所合作研發(fā)、生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池低溫性能實(shí)現(xiàn)重大突破，在低溫-40℃能夠放出額定容量的90%以上。
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此外，鵬輝能源的動(dòng)力電池可以在-20~60℃的環(huán)境中使用，不需要加熱和冷卻系統(tǒng)。桑頓新能源三元耐低溫性能有了較大提高，電芯可在-20℃環(huán)境下正常放電，可以滿足很多整車企業(yè)的需求。
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為何充電比放電更需要溫度？
細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，許多企業(yè)的電池產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下正常放電，但在同樣的溫度下，實(shí)現(xiàn)正常充電就比較吃力，甚至無法充電，為何？
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據(jù)業(yè)內(nèi)人士解釋，Li+嵌入石墨材料時(shí)，首先要去溶劑化，這個(gè)過程會(huì)消耗一定能量，阻礙了Li+擴(kuò)散到石墨內(nèi)部；相反，Li+在脫出石墨材料進(jìn)入到溶液中時(shí)，會(huì)有一個(gè)溶劑化過程，而溶劑化不消耗能量，Li+可以快速脫出石墨。因此，石墨材料的充電接受能力要明顯遜色于放電接受能力。
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低溫環(huán)境下，電池充電有一定的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)殡S著溫度的降低，石墨負(fù)極的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)步一變差，充電過程中，負(fù)極的電化學(xué)極化明顯加劇，析出的金屬鋰容易形成鋰枝晶，穿破隔膜并導(dǎo)致正負(fù)極短路。
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因此業(yè)內(nèi)人士建議，盡量避免鋰離子電池在低溫下充電。當(dāng)電池必須在低溫下充電時(shí)，需要盡可能選擇小電流（即慢充）對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，并在充電后對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充分?jǐn)R置，從而保證負(fù)極析出的金屬鋰能夠與石墨反應(yīng)，重新嵌入到石墨負(fù)極內(nèi)部。
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當(dāng)然了，鈦酸鋰電池有著材料上的優(yōu)勢，它在低溫下仍然可以實(shí)現(xiàn)快充，這種任性，其他材料電池很難學(xué)來。
