低温对锂电池寿命有不可逆转的损失

常规的锂电池有明确的工作温度范围，常规状态下规定充电温度是-0℃-45℃，放电温度为-10℃-60℃。超低温状态下对常规锂电池充电，电池阳极表面会有金属锂析出，形成枝晶，一旦刺穿阳极和阴极之间的隔膜，会引发电芯内部短路，引起锂电池短路造成严重的后果；锂电池最好是在规定的温度范围内使用，需要经过测试才能应用，测试模组的选择、充放电倍率、测试的温度、测试点与电芯的接触内阻、截止电压、电流等因素都会影响电池性能测试的结果。


锂离子电池为什么“怕冷”？我们首先需要明确两个问题：

① 锂电池是一个复杂的电化学系统。看组成材料：固体材料：过渡金属氧化物正极材料、石墨负极材料，纤维隔膜等；液体材料：有机电解液（包含锂盐，溶剂及其他添加剂）等。

②锂离子电池的工作原理涉及两个基本过程：带电粒子的传质过程和电化学反应。

因此锂离子电池中无论是材料还是过程均会受到温度的影响，

·固体材料逃不掉“热胀冷缩”的桎梏（离子既不容易嵌入也不容易脱出，穿过隔膜也困难）；
·液体材料脱不开低温黏度增大甚至凝固的宿命（离子“跑不动”）；
·带电粒子的传质过程和电化学反应的速度必然降低。

所以在低温环境下，锂离子电池将是多么的“脆弱”。“感冒”的锂离子电池工作起来受到的阻力变大（电阻升高），工作效率也会降低（实际容量迅速下降），如果被逼迫得太紧（大电流充放电），电阻变得更大，容量下降得更快。

低温对锂电池寿命有不可逆转的损失的原因：

一、低温下锂离子电池充放电过程

温度一低，分子的运动能力下降了，整个反应速度，物质传输过程都会变慢，那么在电池里慢的最显著的就是锂离子/锂原子在石墨（负极）层间和正极晶格中的传输。于是有大量的锂堆积在电极与电解液界面。充电时，锂离子挤不进石墨层里就会直接在负极表面得到电子变成金属锂，堆积成锂枝晶。放电时，锂离子挤在正极晶格表面，又容易造成正极的破裂。


二、低温充电导致析锂，造成严重安全隐患


正常的电池充电时，锂离子有序的进入石墨层间，发生插层反应。但是在低温充电时，锂离子挤不进石墨层里就会直接在负极表面得到电子变成金属锂，成为转换反应（反应电位比插层反应低，可以理解为更难发生，但插层反应的物质扩散困难了，使得转换反应低温下易发生），堆积成锂枝晶（如图2）。我们初中化学里都学过，金属锂非常的活泼，能马上跟电解液反应，生成的物质也不可逆，造成容量损失。此外，金属锂持续生长，容易刺破隔膜与正极相连，造成内短路，易引发严重的安全事故。


三、低温放电诱导正极颗粒破裂


低温放电时，锂离子挤在正极晶格表面，又容易造成正极活性颗粒的破裂。一方面导致正极活性材料的损失，造成容量损失。此外，正极的过渡金属元素的析出会迁移至负极表面，转变成金属颗粒，诱导锂沉积的发生。


四、低温放置降低电池容量


电池仅在低温下放置48h，后继续放到室温下静置，随后进行容量测试。发现在低温长时间静置的电池，以小倍率充放电（慢充）时，容量会损失3.2%，但是大倍率充放电（快充）时，容量损失达6%。


低温放置下，造成的容量损失的原因是：1）低温加剧了正极的破裂。2）低温可能造成正极颗粒的旋转，从而使得它与粘结剂脱离，丧失电化学活性。