一文了解温度对锂电池性能的影响（最全解读，建议收藏）

marjrh

锂电池中的磷酸铁锂电池和三元锂电池具有能量密度高、工作温度范围广、循环寿命长和安全可靠的优点，被广泛用于新能源汽车的动力电池。但锂电池在充放电过程中产生可逆反应热、欧姆热、极化热和副反应热，电池的发热量主要受其内阻及充电电流的影响。

动力电池是非常“娇贵”的。温度对动力电池整体性能有非常显著的影响，主要体现在使用性能、寿命和安全性三个方面。动力电池在电动汽车中的应用，一般要综合考虑温度对电池性能、寿命和安全的影响以确定电池最优工作范围，并在此温度范围内获得性能和寿命的最佳平衡。普遍认为电池最佳工作温度区间为20℃~30℃，实际项目中需根据电池相关热测试结果，确定电池的最佳工作温度。

锂电池容量会随着温度的升高而变化，通过测试发现，温度每上升1℃容量就上升原来的0.8%,但温度的升高也会损坏电池,电池循环寿命和容量都会逐渐降低。根据试验,在常温25℃的环境下，如果温度升高6~10℃时,会因为高温增加电池的浮充电电流而导致电池的寿命减少一半。由于过充电量的积累,电池的循环寿命缩短。

锂电池的容量随着温度的升高而增加。如果电池温度升高,总放电不变,放电深度就会减小。当电池的温度上升到45℃时,可以延长使用寿命。如果电池在温度高于50℃的环境下充电,酸会加速在蓄电池极板上的腐蚀,而且温度升高会加速电池外壳的老化。

温度的变化使得锂电池可用容量会有不同程度的衰减，具体参考程度为：-10℃时可用容量为70%，0℃时可用容量为85%，25℃时可用容量为100%。因此，天气变冷电池性能下降为正常现象，当温度降低时，电池放电电压也大幅降低，这样电池在低温放电时就会更快的到达放电截止电压，从而造成低温放电容量明显低于常温容量。

低温对电池性能的影响

当锂离子电池处于低温状态时，其可用容量减少、充放电功率受限。如果对功率不加以限制，会引起电池内部锂离子的析出，从而引发电池容量不可逆的衰减，并且会给电池的使用埋下安全隐患。环境温度越低，电池内活性物的活性越低，电解液内阻和粘度越高，离子扩散越难，而且低温下锂离子在电极中的扩散速度慢，较难嵌入而易于脱出，从而使容量急速下降，因此，低温下使用会对电池寿命产生很大的影响。

相信大家都有类似感受，锂电池冬天使用时间比夏天短。可见锂电池性能是受环境温度影响的。在所有的环境因素中，温度对锂电池的充放电性能影响最大。一般锂电池行业的人都知道，锂电池的充放电状态是否稳定，温度的变化起到了很大的影响因素，锂电池在高温和低温环境下充放电，锂电池的容量保持率就有所下降。

需要向大家说明的是，锂离子电池低温下的容量并非消失了，而只是无法在正常电压范围（≥3.0V）内全部放出而已，如果可以将放电截止电压继续下延，那就可以将剩余的容量放出。

在电极/电解液界面上的电化学反应与环境温度有关，电极/电解液界面被视为电池的心脏。如果温度下降，电极的反应率也下降，假设电池电压保持恒定，放电电流降低，电池的功率输出也会下降。

图1是锂离子电池在不同低温下的放电容量曲线示意图(这里用来表示一般的变化趋势)。跟室温20℃相比，低温-20℃下容量衰减已经比较明显，到-30℃是容量损失更多，-40℃下容量连一半都不到了。



图1 锂离子电池在低温下的容量衰减

这里看一下影响低温性能的因素。通过对比容量和电解液电导率关系(图2)可以看到，温度越低，电池电解液的电导率越低。当电导率下降之后，溶液传导活性离子的能力就下降，表现为电池内部反应的阻力就会增加(这个阻力在电化学里面用阻抗表示)，造成放电能力下降，即容量下降。更进一步，通过测量电池内部各部分(正极、负极、电解液)阻抗可以看到各部分对电池阻抗的影响(图3)。当温度<-10℃左右，正极、负极(图中以石墨为例)的界面阻抗快速增加，而电解液的阻抗大概在-20℃左右之后快速上升，这几个阻抗综合结果就表现为电池阻抗在<-10℃左右快速上升(图中用Li-ion cell表示)。



图2 不同温度下电池容量和电解液电导率关系



图3 不同温度下电池的内部各部分的阻抗大小

相对于低温放电，锂离子电池低温充电的表现则更加不尽如人意，在低温充电低于0会增大电池内压并可能时安全阀开启，首先，低温下的充电会快速达到恒压阶段、并会一定程度上降低充电容量、同时增加充电时间，不仅如此，锂离子电池在低温充电时，锂离子可能来不及嵌入石墨负极当中，从而析出在负极表面形成金属锂枝晶，这一反应会消耗电池中的可以反复充放电的锂离子、并大幅降低电池容量，析出的金属锂枝晶也可能会刺穿隔膜，从而影响安全性能。

锂离子电池低温放电容量会降低，但是经过常温充放电后可以恢复，是可逆的容量损失；但是低温充电会造成析锂，是永久性的容量损失。由于低温充电析锂的危害更大，因此锂离子电池的低温充电要比低温放电管控的更严。

冬天充电时，室外温度较低，环境低于0℃时，出现电池充电速度下降，甚至可能无法充电，此为正常现象，请将电池放在适宜的环境温度下进行充电，保证充电效果。

高温对电池安全性能影响

锂电池温度太高，超过45℃锂离子电池越来越广泛地应用到人们的生产生活当中，这使得它的温度环境成为关注的要点，相对来说，锂电池更容易在高温环境下产生安全问题，因此，必须对锂电池进行高温性能的测试，并与其常温测试数据相比较。当锂离子电池滥用或误用时，如高温下使用或充电器控制失效，可能会引发电池内部发生剧烈的化学反应，产生大量的热，若热量来不及散失而在电池内部迅速积聚，电池可能会出现漏液、放气、冒烟等现象，严重时电池发生剧烈燃烧且发生爆炸。

高温下电池发生的化学反应主要包括：

（1）SEI膜的分解：具有保护作用的膜是亚稳态的,在90-120℃会发生分解放热。

（2）嵌入锂与电解液的反应：在120℃以上，膜无法隔断负极与电解液的接触，嵌入负极的锂与电解液发生放热反应。

（3）电解液分解：在高于200℃时发生分解并放热。

（4）正极活性材料分解：在氧化状态，正极材料会放热分解并放出氧气，氧气又与电解液发生放热反应，或者正极材料直接与电解液反应。

（5）嵌入锂与氟化物粘结剂的放热反应。

法国著名电池公司Saft曾经通过2Ah圆柱电池(正极材料NCM，使用PVdF粘结剂，负极材料碳，使用CMC/SBR粘结剂)研究了高温对电池性能的的影响，对比了两个电池在不同高温下的情况：

B2电池-首先在60℃循环2次，然后在85℃下循环

B3电池- 首先在60℃循环2次，然后在120℃下循环

从图4可以看到，B2电池在85℃下循环26次之后，容量损失大约7.5%，电池阻抗增加100%；B3电池在120℃下循环25次之后，容量损失大约22%，电池阻抗增加高达1115%。





图4 B2、B3电池在高温下的循环曲线和电池阻抗增加曲线

采用图5的模型说明高温120℃下电池正极的变化。在120℃下，部分正极粘结剂PVdF从Part 1区域迁移到正极表面，这造成Part 1区域的粘结剂含量下降，活性材料NMC材料由于粘结剂的缺失，造成了电化学反应的能力下降。在Part 2区域，这部分是正极的主体，粘结剂含量正常，高温影响不大，活性材料可以正常进行反应。



通过分析负极表面可以看到高温对负极的影响(图6)。图6a是负极的初始状态，在85℃下循环之后，负极表面出现了常见的固体电解质相(图6b负极表面被新生成的物质覆盖，造成表面形貌跟初始形貌的不同，有些小的球形物质。SEI：Solid Electrolyte Interface)。当温度上升在120℃时，生成了更多的SEI(图6c，负极表面被更多的颗粒覆盖)，消耗了更多的活性锂离子，造成了容量的下降。



图6 负极表面的形貌变化



高温对电池寿命的影响

工作温度过高：一方面使长期处于低电位的阳极还原电解液，造成活性锂离子的损失， 导致电化学性能的下降；另一方面，高温导致阳极还原电解液的副反应增加，反应的无机产物沉积在阳极表面，阻碍锂离子的脱嵌，加速电池的老化。高温下电池副反应增加，如负极表面的SEI 膜会发生分解、破裂或者溶解等，从而导致高温下循环过程中不断消耗锂离子，容量下降较快。

AhmadA. Pesaran 研究表明， 当电池工作温度超过40℃后，每增加10℃，电池的循环寿命就会减半。电池组在新能源汽车电池仓内排列紧密，单体电池产生的热量累积使电池组内部出现温差，导致单体电池衰减速率不同，破坏电池组的同一性，电池组性能降低。

电池的温度与充放电电流呈正相关，当小电流充放电时，电池组的最高温度位置在其中间不易与外界发生热交换的位置， 当大电流充放电或极耳结构设计不合理时，电池组的最高温度在极耳处。

因此，根据动力电池的特性和工作环境合理设计电池散热系统， 不仅可提升整车续航性能， 也可提升整车的安全可靠性。

温差对电池性能的影响

电池温差主要分为两种：电池内部温差，表现为电池温度均匀性；电池单体之间的温差，表现为电池温度一致性。

内部温差产生原因：一般在低温加热工况或水冷系统高温散热工况，电池模组处于单侧加热或单侧冷却时，因电池单体本身热阻较大，会出现较大内部温差。该温差与电池内部结构和材料组份有关，从热管理系统设计角度较难避免。

单体间温差产生原因：电池单体之间温差主要由电池模组布置、电池热管理结构决定，可通过优化热管理设计减小温差。

单体内部温差对电池影响

电池内部温差过大会造成电池内部阻抗不均、电流分布不均、产热不均，进而影响电池使用性能、加快电池容量衰减，但一般各单体间差异较小，对一致性影响较小。

单体间温差对电池影响

电池单体间温差过大会造成总成内各电池单体使用性能、容量衰减速率不一致，由于电池组内电池单体串联，任何一个电池单体性能下降、容量衰减都会影响总成的整体表显，因此对电池温度一致性控制显得非常重要。

另外，单体间温差对电池会产生持续累积的影响，温度高的单体老化快，产热量更大，更易产生高温。

结束语

锂电池种类的不同，其工作温度范围也就不同。温度过高或过低都会影响锂电池的性能，严重的甚至可能缩短电池的使用寿命。为了有效充电，锂电池环境温度范围应在20-30℃之间，

总的来说，影响电池高温、低温的因素可以概括为：电解液的电导率、界面阻抗、SEI膜等，这些因素综合作用在一起，影响了电池的性能。一般的来说，提高电池各组分的电导率或者导电性(包括选择导电性更好的活性材料、优化电解液成分、改善负极SEI膜成分、抑制正极表面物质的溶出等)，从而降低电池整体的阻抗，对于提升高温、低温性能是有所帮助的。锂离子电池对温度的适应性就跟人体一样，过高、过低的温度都不利于其发挥最大的功能，选择合适的材料、优化结构设计、定制合适的使用条件，才能充分发挥其性能。