鉅大LARGE | 點擊量：300次 | 2024年01月12日
有關(guān)低溫下動力鋰離子電池充放電變化解析
最近，全國各地的電動汽車車主朋友們是不是發(fā)現(xiàn)您的愛車?yán)m(xù)航里程突然大幅縮短，跑不了多遠(yuǎn)，油門踩下去沒勁兒？是不是都開始為冬季嚴(yán)寒感到發(fā)愁，尤其是北方的朋友們，如此天氣不僅影響出行計劃，而且很多人為了能夠省點電，不舍得開暖風(fēng)，車?yán)镘囃鈳缀跻粋€溫度。這樣的體驗，讓人簡直懷疑當(dāng)初決定買電動汽車考慮的價值所在。
為何在寒冷的冬天電動汽車的續(xù)航會減少，不用腦袋想就了解與低溫有關(guān)。
通常來說，目前市面上絕大多數(shù)的電動汽車、甚至是電子數(shù)碼產(chǎn)品，使用的都是鋰離子電池，那么就先扒一扒，冬天的鋰離子電池怎么了。
先從原理說起。電動汽車上使用的重要鋰離子電池類型，磷酸鐵鋰、三元鋰和錳酸鋰三種主流的鋰離子電池，負(fù)極石墨材料為主。他們的基本反映原理是近似的，都是搖椅式電化學(xué)儲能過程。
鋰離子電池放電過程
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
如上圖所示。在充電過程中，由于電池外加端電壓的用途，正極集流體附近的電子在電場驅(qū)動下向負(fù)極運動，到達(dá)負(fù)極后，與負(fù)極材料中的鋰離子結(jié)合，形成局部電中性存放在石墨間隙中；消耗了部分鋰離子的負(fù)極表面，鋰離子濃度變低，正極與負(fù)極之間形成離子濃度差。在濃差驅(qū)動下，正極材料中的鋰離子從材料內(nèi)部向正極表面運動，并沿著電解質(zhì)，穿過隔膜，來到負(fù)極表面；進(jìn)一步在電勢驅(qū)動用途下，穿過SEI膜，向負(fù)極材料深處擴散，與從外電路過來的電子相遇，局部顯示電中性滯留在負(fù)極材料內(nèi)部。放電過程則剛好相反，包含負(fù)載的回路閉合后，放電過程開始于電子從負(fù)極集流體流出，通過外電路到達(dá)正極；終于鋰離子嵌入正極材料，與外電路過來的電子結(jié)合。
負(fù)極石墨為層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子的嵌入和脫出的方式，在不同類型的鋰離子中沒有太大差異。不同正極材料，其晶格結(jié)構(gòu)存在不同，充放電過程中的鋰離子擴散進(jìn)出，過程略有不同。
放電過程中，鋰離子想要從負(fù)極來到正極，要在一些動力的驅(qū)動下克服一些阻力才能實現(xiàn)。這些阻力包括，從負(fù)極結(jié)構(gòu)中擴散出來要克服負(fù)極SEI膜阻抗；沿著電解液擴散要克服電解液傳導(dǎo)阻抗；穿越正負(fù)極之間的隔膜，要克服隔膜阻抗；從電解液進(jìn)入正極，要克服正極SEI膜（這個膜的結(jié)構(gòu)不是特別明顯）和材料內(nèi)部擴散阻抗。
那么鋰離子克服這些阻力的動力哪里來？一方面來自于正負(fù)極材料電勢差，正極材料與負(fù)極材料的勢能差越大，電池表現(xiàn)出來的開路電壓越高，電池存儲的能量也就越多，這個屬性也是電池能夠放電的基本動力；另一方面，電解液中不同位置離子濃度的不同，驅(qū)動離子從高濃度位置向低濃度位置運動，所謂濃差驅(qū)動。
這樣看來，只要我們明確，低溫是怎么樣影響這些阻力和動力的，就能理解低溫對鋰離子電池性能的影響是怎么起用途的。
正極材料活性物質(zhì)，溫度越低，其活性越差，對外表現(xiàn)出電勢降低；正極鋰離子在材料內(nèi)部通道中的擴散越困難，表現(xiàn)出阻抗新增；負(fù)極表面的SEI膜，是電解液與負(fù)極材料初次接觸時候形成的一層鈍化膜，它的存在保護了負(fù)極材料不會被電解液進(jìn)一步腐蝕，同時又能允許鋰離子進(jìn)入和脫出。當(dāng)溫度降低，鋰離子通過SEI膜也變得困難，表現(xiàn)為阻抗新增；電解液的活性，在低溫下同樣變差，離子在電解液中的擴散能力降低。帶電離子的移動速率，宏觀上的表現(xiàn)就是電流值的大小?；叵胍幌码娏鞯暮x：單位時間流過導(dǎo)體任意截面的電量。聯(lián)系到電荷移動速率與電流的關(guān)系，低溫使得電解液通過電流的能力降低了。而對電荷移動的阻礙，則表現(xiàn)為回路阻抗。溫度下降，電解液阻抗上升。
整體上看，在鋰離子電池這個體系里，電荷移動的不順暢，既表現(xiàn)為電勢降低，同時又表現(xiàn)為阻抗升高。電勢或者說電池的開路電壓，在一定溫度下，與電池內(nèi)部容納的能量有明確的對應(yīng)關(guān)系，那么電勢下降顯示了電池內(nèi)電能的減少。
上述解釋似乎顯得過于復(fù)雜，那么簡單總結(jié)下為何低溫下，電動汽車的續(xù)航里程少了？宏觀上，因為低溫使得鋰離子電池的可用容量變小了，同時內(nèi)阻變大了；微觀上，低溫一方面降低了鋰離子電池活性物質(zhì)放電的勢能，另一方面提高了系統(tǒng)放電阻力?？捎秒娏繙p小，行駛里程必然會減少，而電池內(nèi)阻的新增，又將一部分可用的電能直接轉(zhuǎn)化成歐姆熱浪費掉了。兩方面因素綜合到一起，續(xù)駛里程必然明顯減小。
是否有辦法防止或減輕掉電，提高冬季電動汽車?yán)m(xù)航里程？
低溫給電池帶來的種種變化，怎么樣解決呢？還是得從溫度入手。
我們來說一個方法，暫且稱為恒溫車庫法。既然已相關(guān)經(jīng)驗證電池怕冷，把車放在溫暖的地方不就行了？有位北方車主試驗，將車開到看起來很高大上，其實也的確啥都買不起的高級商場，停好車時，車內(nèi)儀表盤顯示環(huán)境溫度為5℃，第二天準(zhǔn)備接它回家時，表現(xiàn)溫度變?yōu)?9℃，這溫度快趕上家里的熱炕頭了！試驗效果不錯，16個小時續(xù)航和電量絲毫沒變。所以多花點錢放在溫暖的車庫還是值得的。哈哈，這只是一個不是建議的建議……
第二，這個方法切實可行，就是預(yù)熱，就是起動之前，先給電池加熱。當(dāng)然，你的車要具備電池加熱功能才行。有數(shù)據(jù)顯示，一個預(yù)熱措施可以帶來如下水準(zhǔn)的里程提升：環(huán)境溫度零下20℃，無預(yù)熱，直接起動行駛，續(xù)駛里程是常溫里程的60%左右；采用預(yù)熱方法，續(xù)駛里程提高到常溫里程的90%。假如把動力鋰電池自身作為電源，微小電流自加熱，除了消耗電量以外，還會帶來對電池本身壽命的傷害，是一種不太合理的加熱方式。
第三，看來恒溫車庫或者預(yù)熱都不太理想，假如你所在地區(qū)的溫度也只是在0℃左右，可以采取先小功率低速行駛一段時間，讓電池小電流放電行駛的同時給自己加熱。當(dāng)電池溫度超過15℃以后，就可以正常行駛了。
說到底就是不能讓電池的溫度太低。所以，在冬天出門之前做好行程規(guī)劃，出發(fā)前事先將充電插頭連接到汽車上，用外部的電量來為鋰離子電池恢復(fù)溫度。假如是家中有車庫的朋友來說就更方便了，每次回家就可以直接將充電樁與汽車連接，讓電動汽車時刻保持溫度。假如沒有任何保溫、預(yù)熱的條件，又在東北，安全第一，建議冬天就別開電動汽車了。
都說電器怕放不怕用，時常給用電器通電能有效防止線路受潮，關(guān)于電動汽車，也能有效且直接地對抗掉電?？墒?，低溫工作關(guān)于鋰離子電池的傷害非常大，不到不得已的情形，最好不要低溫運行，包括放電和充電。低溫放電，會造成對正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)的損壞，進(jìn)而使得一部分可用容量永久損失。而低溫充電的危害更大，經(jīng)歷過低溫充電的電池，發(fā)生熱失控的幾率增大數(shù)倍，其重要影響因素就是低溫充電積累下來的鋰金屬沉積，更活潑，更容易發(fā)生劇烈反應(yīng)。
