锂离子动力电池的特性受环境温度影响很大，特别是在低温环境下，可用能量和功率衰减严重，长期在低温环境下使用会加速锂离子动力的老化电池并缩短其使用寿命。
随着新能源汽车产业的快速发展，其一些潜在问题也开始显现。
例如，当电动汽车在低温环境下运行时，其锂离子动力电池、电机等主要部件会出现断电。
据了解，特斯拉Models、日产聆风、雪佛兰Volt、北汽新能源EV系列等纯电动汽车的续驶里程和充放电性能都受到低温环境的严峻挑战。
在电动汽车的推广过程中，续航里程、充电时间和使用安全性主要受到锂离子动力电池特性的制约。
锂离子动力电池的特性受环境温度影响很大，特别是在低温环境下，可用能量和功率衰减严重，长期在低温环境下使用会加速锂的老化——离子动力电池，缩短其使用寿命。
电动汽车常用的锂离子动力电池在-10℃时容量和工作电压会明显降低，在-20℃时性能会更差，可见其可用放电容量下降急剧，在室温下只能维持30%的比容量。 关于。
锂离子电池在低温环境下充电也很困难，充电时金属锂容易沉积在负极表面。 锂枝晶的生长会刺穿电池隔膜，造成电池内部短路，不仅对电池造成永久性损坏，还会诱发电池热失控，大大降低其使用安全性。
那么，哪些因素制约着锂离子的低温性能呢？
锂离子动力电池的低温充电特性
如果想了解锂离子的低温性能，可以通过测试锂离子动力电池的低温特性来进行分析。 为了测试锂离子动力电池的低温特性，可以使用不同规格和材料的锂离子动力电池进行测试，包括低温放电、充电和交流阻抗测试。
锂离子动力电池开始充电时，电池端电压瞬间升高，温度越低，锂离子动力电池充电的启动电压越高。 低温时端电压上升较快，很快达到截止电压，进入恒压充电阶段。
随着温度降低，锂离子动力电池的恒流充电时间会缩短，而恒压阶段的充电时间会延长，总充电时间也会变长。 因此，在相同的充电量下，锂离子动力电池所需的充电时间将大大增加。
在不同温度环境下，锂离子动力电池充电容量测试结果分为恒流阶段充电容量和恒压阶段充电容量。 对于相同的电池，在相同的充电截止条件下，随着温度的下降，锂离子动力电池的整体充电量呈现下降趋势。
在设定的充电模式下，随着温度的降低，锂离子动力电池恒压阶段的充电电量会增加。 因此，温度的降低导致锂离子动力电池的恒流充电能力降低，主要依靠恒压充电。 恒压阶段长期充电会延长锂离子动力电池整体充电时间，降低充电时间效率，长期充电。 低温恒压充电也是锂离子动力电池副反应性能下降的原因之一。
锂离子动力电池在低温下使用时，能量和功率特性衰减严重。 从宏观上看，锂离子动力电池的低温性能表现为：随着温度的降低，锂离子动力电池的阻抗增大，放电电压平台减小，电池端电压迅速下降，导致在大量的可用容量和功率。 衰减。
锂离子动力电池不仅难以在低温下实现大电流放电，而且由于电池阻抗增加，充电电压迅速上升，缩短了电池达到充电保护终止电压的时间，因此存在充电困难、充电效率低的缺点。
从微观上看，锂离子动力电池的低温特性主要受低温下电池内部电解液离子电导率低、电池电极在低温下电化学反应速率降低、低温下电池负极石墨颗粒表面SEI膜的导电性，低温下。 在电池负极石墨材料颗粒中锂离子固相扩散系数低等因素的制约下。
因此，锂离子动力电池的低温性能首先与电池电解液有关。 锂离子动力电池的电解液溶剂不仅直接影响电解液的液相线温度范围，而且直接参与形成SEI膜的反应。
电解液在低温下电导率下降，析出的锂金属因低温充电容易与电解液发生反应，导致锂离子动力电池的低温性能进一步恶化。
电池内部电极的SEI膜在低温下电阻的增加是导致锂离子动力电池低温性能劣化的另一个因素。 低温下，电池内电极SEI膜的电阻增大，锂离子动力电池的可用电量下降。
低温充电时，金属锂在负极颗粒表面析出，金属锂与电解液反应导致SEI膜增厚。 一方面，电池的SEI膜阻抗增加，另一方面，负极中可用活性锂离子的减少会导致锂离子动力电池的容量不可逆退化。
低温下，锂离子动力电池的电化学反应速率下降，电荷转移的内阻显着增加。 与电化学欧姆内阻和SEI膜阻抗相比，温度控制对电池电化学反应过程的影响更为明显，电荷转移内阻随温度的降低呈指数增长。 离子动力电池动力性能恶化的主要原因。
锂离子在负极石墨中的固相扩散系数降低也是导致锂离子动力电池低温性能劣化的主要因素之一。 低温下锂离子在负极石墨中的固相扩散系数降低是导致锂离子动力电池容量特性劣化的主要速率控制步骤。
电池在低温充电时，扩散系数小会阻碍锂离子在负极石墨中的扩散过程，容易在负极颗粒表面造成“锂沉积”，造成永久性损坏电池。
锂离子动力电池低温放电特性
以18650型镍钴锰系锂离子动力电池、磷酸铁锂系锂离子动力电池、镍钴锰系锂离子动力电池为例，先进行放电测试。 在25℃的环境下，对三块锂离子动力电池进行恒流恒压充电，使SOC（剩余电量）达到100%，然后在不同温度下静置4小时，等待电池温度升高达到设定温度。 然后，进行相应的测试。
研究电池在低温下的放电特性，可以在两种不同的材料体系下使用不同规格的锂离子动力电池在不同温度和不同倍率（1C、2C）下的放电电压，并使用三种锂离子动力电池具有不同的特性。 以额定容量和电流倍率统一分析锂离子动力电池的特性，如图3所示。
随着环境温度的降低，电池的放电电压呈现快速下降的趋势，锂离子动力电池的功率特性恶化。 随着温度的降低，锂离子动力电池达到截止电压的时间缩短，说明其可用容量严重衰减。 .
通过对比可以发现，在相同温度下，磷酸铁锂体系锂离子动力电池的衰减率高于18650镍钴锰体系锂离子动力电池，由下式确定材料特性。 磷酸铁锂材料固有的低温导电性较差，导致锂离子动力电池低温特性严重衰减。
因此，温度越低，锂离子动力电池的初始端电压下降幅度越大。 随着温度的降低，锂离子动力电池的阻抗增大，导致电池内阻分压升高，因此电池端电压降低。
锂离子动力电池低温放电初期，端电压有所回升，主要是锂离子动力电池在放电过程中发热所致。
为了全面了解温度和放电倍率对锂离子动力电池功率和容量特性的影响，可以分析两种锂离子动力电池在不同放电倍率和温度下的可用容量比，如图6.
随着温度的降低，锂离子动力电池的可用容量会衰减。 锂离子动力电池容量会随着环境温度的降低而显着下降。 当18650型镍钴锰系锂离子动力电池以50C倍率放电和25C倍率放电容量在-0.5℃下已经衰减到1℃放电容量的30%左右时，2C恒流放电容量为0。
根据数据对比，在相同温度下，磷酸铁锂体系锂离子动力电池的衰减率高于18650镍钴锰体系锂离子动力电池，这是由于磷酸铁锂体系锂离子动力电池的低温导电性较差。磷酸铁锂材料。
锂离子动力电池的初始放电端电压不仅受温度影响，还受放电倍率的影响。 随着温度的下降，锂离子动力电池的初始放电端电压不断降低，主要是因为温度降低，锂离子动力电池内阻增大，锂离子动力电池内部电压升高。增加。
此外，随着温度的降低，锂离子动力电池在不同倍率下的初始端电压差异也更加明显。 温度-30℃，0.5C倍率放电起始电压仅比6.8℃起始电压低25%，1C倍率放电起始电压比12.7℃起始电压低近25%，2C倍率起始电压与22.8℃时的初始放电电压相比，放电电压下降了近25%。
在低温高倍率放电时，锂离子动力电池的输出电压也出现严重衰减，影响了锂离子动力电池的功率输出。 在车辆工况下，主要影响车辆的加速和爬坡特性。
锂离子电池的低温电化学阻抗特性
电化学阻抗谱（EIS）又称交流阻抗谱，是通过在一定频率范围内对电化学系统施加小幅度正弦交流信号（电压或电流）来测量随频率的变化。 交流电压与电流信号之比的一种方法。
与其他常规电化学方法相比，该方法可以获得更多关于电极界面结构和动力学的信息，因此被广泛用于研究锂离子电池的内部机理。
高频欧姆阻抗随温度降低而增加； 高频和中频阻抗随着温度的降低而逐渐扩大。 因此，固液界面的膜电阻和电荷转移的内阻都会增加。
18650型镍钴锰系锂离子动力电池在低温下，扩散消失，-20℃时阻抗会增加到室温的数倍。
因此，超高频区（10 kHz以上）代表了电子通过活性物质颗粒的传输和电解液中锂离子在活性物质颗粒之间的传输，表示为光谱和EIS光谱上的实轴，定义为电化学欧姆内阻R0。
锂离子通过SEI膜在高频区的活性材料颗粒表面的扩散和迁移在阻抗图上表现为半圆弧。 这个过程等效地被阻抗模型中的RSEI/CSEI并联结构所取代。
与中频区电化学反应相关的阻抗电弧包括电荷迁移和双电层充放电两个过程。 电荷转移过程发生在固相电极和电解质的相互界面处。 这个过程遵循法拉第定律，所以也称为法拉第过程。
在电荷迁移过程中，电荷的迁移速度由法拉第电流反映。 一般来说，电荷迁移过程可以等效为一个纯电阻，称为电荷迁移内阻或法拉第电阻，用R ct 表示。
双电层的充放电过程也称为法拉第过程。 这一过程也发生在固相电极与液相电解质界面的连接处，形成类似于电容的物理结构，从而形成电极的界面双电层。 电容 Cdl 表示。
低频区主要是由于锂离子在活性材料颗粒中的扩散过程。 当电化学反应发生时，法拉第电流流过固相电极与电解质的界面，导致反应物的消耗和产物在界面上的积累，从而产生固液相浓度差。
根据多孔电极理论，固相电极被假定为具有一定孔隙率的球形颗粒。 随着反应的进行，颗粒内部物质的积累会增加，界面内外物质的浓度梯度会减小，物质的扩散速率会减小。 减缓。
当电极上的物质缓慢扩散到稳定状态时，就会发生稳定的浓差极化，即电池内部锂离子浓度分布不同引起的极化现象。
一般可以用半无限扩散阻抗韦伯阻抗ZW来表示扩散过程。 考虑到电极表面的几何因素和吸附的存在，也用恒相元表示，用符号ZD表示。
由于 EIS 的测试范围为 100 kHz – 0.01 Hz，因此在 EIS 光谱中，在极低频区域或与新相形成相关的半圆区域内，活性材料颗粒的晶体结构没有变化。 如图9a所示，借助交流阻抗谱分析软件ZView，对电池阻抗参数R0、RSEI和Rct进行拟合识别，根据横坐标计算得到三个阻抗值阻抗谱的轴。
阻抗会随着温度的降低而增加，其中R0和RSEI随着温度的变化比较平稳，阻抗值随着温度的降低而增加的幅度较小。 但 Rct 会随着温度的降低而显着增加。 由于 R0 和 RSEI 主要受电解液中离子电导率的影响，因此温度变化规律与电解液离子电导率随温度的变化规律相似。
总的来说，要解决新能源汽车在低温环境下运行的问题，就必须从锂离子动力电池的性能入手。
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