隨著電動汽車在全球范圍內(nèi)的快速發(fā)展，電動汽車的市場規(guī)模在2020年已經(jīng)達到1萬億美元，未來將繼續(xù)以每年20%以上的速度增長。因此，電動汽車作為一個主要交通工具，對動力電池的性能要求將越來越高，低溫環(huán)境下電池衰減對動力電池性能的影響不容忽視。低溫環(huán)境下電池衰減的主要原因是：一是溫度低影響電池內(nèi)阻小，熱擴散面積大，電池內(nèi)阻增大。二是電池內(nèi)外電荷轉(zhuǎn)移能力差，電池發(fā)生形變時會發(fā)生局部不可逆的極化作用。三是低溫時電解質(zhì)分子運動緩慢而溫度上升時難以及時擴散。因此低溫電池衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致電池性能衰減嚴(yán)重。
1、低溫電池技術(shù)現(xiàn)狀
在低溫下制備的鋰離子動力電池技術(shù)和材料性能要求很高。鋰離子動力電池低溫環(huán)境下性能衰減嚴(yán)重的原因是內(nèi)阻增大，導(dǎo)致電解液擴散困難，電芯循環(huán)壽命縮短。因此近年來低溫動力電池技術(shù)研究取得了一定進展。傳統(tǒng)高溫鋰離子電池高溫性能較差，低溫條件下性能仍不穩(wěn)定；低溫電芯體積大、容量低、低溫循環(huán)性能差；低溫時極化作用顯著強于高溫時；低溫時電解液粘度增加導(dǎo)致充放電循環(huán)次數(shù)減少；低溫下電芯安全性降低、電池壽命降低；低溫下使用性能下降。此外，低溫條件下電池循環(huán)壽命短而且低溫電芯存在安全隱患等問題，對動力電池安全性提出了新的要求。因此開發(fā)低溫環(huán)境下性能穩(wěn)定、安全可靠、長壽命的動力電池材料是低溫鋰離子電池研究的重點。目前國內(nèi)外主要有以下幾種低溫鋰離子電池材料:(1)金屬鋰負(fù)極材料：由于金屬鋰具有高化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性和低溫充放電性能良好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于電動汽車中;(2)碳負(fù)極材料在低溫下具有良好的耐熱性、低溫循環(huán)性能、低導(dǎo)電性、低溫循環(huán)壽命等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于電動汽車中;(3)有機電解質(zhì)在低溫下有較好性能;(4)聚合物電解質(zhì)：聚合物分子鏈比較短、親和力高;(5)無機材料：無機聚合物具有良好性能參數(shù)（導(dǎo)電性）與電解質(zhì)活性之間有較好配合力;(6)金屬氧化物較少;(7)無機物：無機聚合物等。
2、低溫環(huán)境對鋰電池的影響
鋰電池的循環(huán)壽命主要取決于放電過程，而低溫則是鋰產(chǎn)品壽命中影響較大的因素。通常，低溫環(huán)境下，電池表面會發(fā)生相變引起表面結(jié)構(gòu)破壞，同時伴隨著容量和電芯容量減少。高溫條件下，在電芯中生成氣體，會加速熱擴散；在低溫下，氣體無法及時排出，加速電池液相變；溫度越低，氣體產(chǎn)生越多，電池液相變越慢。因此，低溫條件下電池內(nèi)部物質(zhì)變化更加劇烈、復(fù)雜，電池材料內(nèi)部更容易產(chǎn)生氣體和固體；同時，溫度過低時會導(dǎo)致負(fù)極材料與電解液相界面處發(fā)生不可逆的化學(xué)鍵斷裂等一系列破壞反應(yīng)；還會導(dǎo)致電解液自組裝程度降低、循環(huán)壽命縮短；鋰離子電荷向電解液轉(zhuǎn)移能力下降；充放電過程中會引起鋰離子電荷轉(zhuǎn)移過程中極化現(xiàn)象、電池容量衰減、內(nèi)部應(yīng)力釋放等一系列連鎖反應(yīng)，影響鋰離子電池循環(huán)壽命和能量密度等功能。低溫下溫度越低，電池表面氧化還原反應(yīng)、熱擴散、電芯內(nèi)部相變等各種破壞反應(yīng)越劇烈、越復(fù)雜甚至完全破壞后又引發(fā)電解液自組裝、反應(yīng)速度越慢、電池容量衰減越嚴(yán)重、鋰離子電荷在高溫下遷移能力越差等一系列連鎖反應(yīng)。
3、低溫對鋰電池技術(shù)研究進展的展望
在低溫環(huán)境下，電池的安全性、循環(huán)壽命、電芯溫度穩(wěn)定性都會受到影響，低溫對鋰電池壽命的影響不容忽視。目前采用隔膜、電解液、正負(fù)極材料等多種方式的低溫動力電池技術(shù)研發(fā)已經(jīng)取得一定進展。在未來，低溫鋰電池技術(shù)研發(fā)應(yīng)該從以下幾個方面進行改進:(1)開發(fā)出低溫下高能量密度、長壽命、低衰減、小尺寸、低成本的鋰電池材料體系;(2)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料制備技術(shù)不斷提高電池內(nèi)阻控制能力;(3)在開發(fā)高容量、低成本鋰電池體系時，應(yīng)注意電解液添加劑、鋰離子與正負(fù)極界面及內(nèi)部活性物質(zhì)等關(guān)鍵因素影響;(4)提高電池循環(huán)性能（充放電比能量）、低溫環(huán)境下電池?zé)岱€(wěn)定性、低溫環(huán)境下鋰電池的安全性以及其他電池技術(shù)發(fā)展方向;(5)開發(fā)低溫條件下安全性能高、高成本、低成本動力電池體系方案;(6)開發(fā)出低溫電池相關(guān)產(chǎn)品并推廣應(yīng)用;(7)開發(fā)高性能耐低溫電池材料及器件技術(shù)。
當(dāng)然除了以上研究方向外，也有很多研究方向可以進一步改進低溫條件下電池性能、提高低溫電池能量密度、降低低溫環(huán)境下電池衰減、延長電池使用壽命等方面研究進展；但是更重要的問題是如何實現(xiàn)低溫條件下電池高性能、高安全、低成本、高續(xù)航里程、長壽命、低成本地商業(yè)化使用是目前研究需要重點突破并解決的問題。
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低溫動力鋰電池技術(shù)研發(fā)進展
