低温对锂电池容量、寿命、内阻和充放电效率的影响

锂电池在低温环境下使用受到限制，除了因为放电容量会严重衰退外，低温下也不能对锂电池进行充电。在低温充电时，电池石墨电极上的锂离子的嵌入和镀锂反应是同时存在的且相互竞争。低温条件下锂离子在石墨中的扩散被抑制，电解液的导电率下降，从而导致嵌入速率降低而在石墨表面上会使镀锂反应更容易产生。锂离子电池在低温下使用时寿命下降的原因主要有内部阻抗的增加与锂离子析出使容量衰减。

1. 低温对锂电池放电容量的影响

容量是锂电池最重要的参数之一，它的大小随着温度变化的曲线如下图所示，下图是一款磷酸铁锂电池的放电曲线。磷酸铁锂电池，充电终止电压为3.65±0.05Ｖ，放电终止电压为２±0.05Ｖ，两条曲线，是电池分别按照0.1C和0.3C在不同温度下进行放电，得到的温度容量曲线。非常明显的，容量随着温度的升高逐渐上升-20℃的容量只相当于15℃容量的60％左右。除了容量，随着温度降低的还有电池开路电压。我们都知道，电池中包含能量是容量与端电压的乘积，当两个乘数都下降时，电池内的能量一定是两者下降效果的叠加。
低温下正极材料活性降低，使得能够发生移动带来放电电流的锂离子数量下降，是容量下降的根本原因。

不同温度和放电倍率下锂电池放电容量

2. 低温对锂电池寿命的影响

锂离子电池的老化不仅取决于时间或循环次数，还取决于操作条件，即应力因素。深入分析包括温度，充放电率，DOD和平均SOC在内的决定性应力因素的影响是延长锂离子电池寿命并确保其性能可靠性的先决条件。

温度对锂离子电池的循环老化速率有很大的影响。较低的温度，由于强化的锂单质电镀而降低循环寿命；过高的温度，由于Arrhenius驱动的老化反应，而缩短电池寿命；因此锂电池只有在适当的温度下才能获得最佳循环寿命。W aldmann7进行了一次综合实验覆盖温度范围从- 20℃至70℃，发现25℃是LixNi1/3Mn1/3Co1/3O2/LiyMn2O4混合阴极和石墨/碳阳极的18650型获得最长电池循环寿命的最佳工作温度。如其他研究工作所示，最佳循环温度可能不是25℃。电池的类型多种多样，最佳循环温度也不尽相同。Schuster等人研究获得的最佳温度在35℃，而Bauer等检测到最佳温度是约17℃。温度高于最佳循环温度，加速固体电解质界面（SEI）的形成，带来快速的容量衰减和阻抗升高。在充电过程结束时较低的温度有利于负极表面镀锂的形成。

3.低温对锂电池内阻的影响

锂电池温度与电阻的关系，如下图所示。不同的曲线代表电池自身不同的荷电量。任何一个荷电量下，电池内阻都随着温度的降低而明显升高，荷电量越低的电芯，内阻越大，并且这个趋势也随着温度的变化而保持不变。
低温下，正负极材料中，带电离子的扩散运动能力变差，穿越电极与电解液的钝化膜变得困难，在电解液中传递的速度也降低，并且在传递过程中还会额外产生很多热量。锂离子到达负极以后，在负极材料内部的扩散也变得不顺畅。全部的过程，带电离子的运动都变得困难重重，在外部看来，就是电芯的内阻升高了。

内阻与ＳＯＣ、温度之间关系

4.低温对锂电池充放电效率的影响

下面的曲线，是充电效率跟随温度变换的曲线。我们可以观察到，-20℃下的充电效率只有15℃时候的65%。这里只说效率，低温充电的危害非常严重，这里不展开讨论。低温带来了前文中描述的种种电化学层面性能的变化，内阻显著增加。放电过程中，大量的电能消耗在内阻发热上面。我们观察到的库伦效率下降了。电动汽车行驶过程中，就会感觉到，看起来差不多的电量，低温下续航变短了。

充电效率随温度变化趋势图

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