低溫對鋰電池壽命有不可逆轉(zhuǎn)的損失

常規(guī)的鋰電池有明確的工作溫度范圍，常規(guī)狀態(tài)下規(guī)定充電溫度是-0℃-45℃，放電溫度為-10℃-60℃。超低溫狀態(tài)下對常規(guī)鋰電池充電，電池陽極表面會(huì)有金屬鋰析出，形成枝晶，一旦刺穿陽極和陰極之間的隔膜，會(huì)引發(fā)電芯內(nèi)部短路，引起鋰電池短路造成嚴(yán)重的后果；鋰電池最好是在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用，需要經(jīng)過測試才能應(yīng)用，測試模組的選擇、充放電倍率、測試的溫度、測試點(diǎn)與電芯的接觸內(nèi)阻、截止電壓、電流等因素都會(huì)影響電池性能測試的結(jié)果。


鋰離子電池為什么“怕冷”？我們首先需要明確兩個(gè)問題：

① 鋰電池是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)。看組成材料：固體材料：過渡金屬氧化物正極材料、石墨負(fù)極材料，纖維隔膜等；液體材料：有機(jī)電解液（包含鋰鹽，溶劑及其他添加劑）等。

②鋰離子電池的工作原理涉及兩個(gè)基本過程：帶電粒子的傳質(zhì)過程和電化學(xué)反應(yīng)。

因此鋰離子電池中無論是材料還是過程均會(huì)受到溫度的影響，

·固體材料逃不掉“熱脹冷縮”的桎梏（離子既不容易嵌入也不容易脫出，穿過隔膜也困難）；
·液體材料脫不開低溫黏度增大甚至凝固的宿命（離子“跑不動(dòng)”）；
·帶電粒子的傳質(zhì)過程和電化學(xué)反應(yīng)的速度必然降低。

所以在低溫環(huán)境下，鋰離子電池將是多么的“脆弱”。“感冒”的鋰離子電池工作起來受到的阻力變大（電阻升高），工作效率也會(huì)降低（實(shí)際容量迅速下降），如果被逼迫得太緊（大電流充放電），電阻變得更大，容量下降得更快。

低溫對鋰電池壽命有不可逆轉(zhuǎn)的損失的原因：

一、低溫下鋰離子電池充放電過程

溫度一低，分子的運(yùn)動(dòng)能力下降了，整個(gè)反應(yīng)速度，物質(zhì)傳輸過程都會(huì)變慢，那么在電池里慢的最顯著的就是鋰離子/鋰原子在石墨（負(fù)極）層間和正極晶格中的傳輸。于是有大量的鋰堆積在電極與電解液界面。充電時(shí)，鋰離子擠不進(jìn)石墨層里就會(huì)直接在負(fù)極表面得到電子變成金屬鋰，堆積成鋰枝晶。放電時(shí)，鋰離子擠在正極晶格表面，又容易造成正極的破裂。


二、低溫充電導(dǎo)致析鋰，造成嚴(yán)重安全隱患


正常的電池充電時(shí)，鋰離子有序的進(jìn)入石墨層間，發(fā)生插層反應(yīng)。但是在低溫充電時(shí)，鋰離子擠不進(jìn)石墨層里就會(huì)直接在負(fù)極表面得到電子變成金屬鋰，成為轉(zhuǎn)換反應(yīng)（反應(yīng)電位比插層反應(yīng)低，可以理解為更難發(fā)生，但插層反應(yīng)的物質(zhì)擴(kuò)散困難了，使得轉(zhuǎn)換反應(yīng)低溫下易發(fā)生），堆積成鋰枝晶（如圖2）。我們初中化學(xué)里都學(xué)過，金屬鋰非常的活潑，能馬上跟電解液反應(yīng)，生成的物質(zhì)也不可逆，造成容量損失。此外，金屬鋰持續(xù)生長，容易刺破隔膜與正極相連，造成內(nèi)短路，易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。


三、低溫放電誘導(dǎo)正極顆粒破裂


低溫放電時(shí)，鋰離子擠在正極晶格表面，又容易造成正極活性顆粒的破裂。一方面導(dǎo)致正極活性材料的損失，造成容量損失。此外，正極的過渡金屬元素的析出會(huì)遷移至負(fù)極表面，轉(zhuǎn)變成金屬顆粒，誘導(dǎo)鋰沉積的發(fā)生。


四、低溫放置降低電池容量


電池僅在低溫下放置48h，后繼續(xù)放到室溫下靜置，隨后進(jìn)行容量測試。發(fā)現(xiàn)在低溫長時(shí)間靜置的電池，以小倍率充放電（慢充）時(shí)，容量會(huì)損失3.2%，但是大倍率充放電（快充）時(shí)，容量損失達(dá)6%。


低溫放置下，造成的容量損失的原因是：1）低溫加劇了正極的破裂。2）低溫可能造成正極顆粒的旋轉(zhuǎn)，從而使得它與粘結(jié)劑脫離，喪失電化學(xué)活性。