眾所周知，每到冬季，電動(dòng)汽車要開動(dòng)就得先把電池?zé)崞饋?，而且還要開加熱、暖風(fēng)、座椅加熱、用電APP等等。這些功能一開，電量就會(huì)大幅減少。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)車一般的帶電量在50度上下，電池低溫加熱、開暖風(fēng)等“必要”功能一開，可能瞬間就拿走了十幾度電，這也不奇怪電動(dòng)汽車為何會(huì)在寒冷的冬季變成“喜當(dāng)?shù)?rdquo;的存在。
但是現(xiàn)在，托“寧王”的福，冬季伺候“爹”的尷尬局面有望得到改善了。
近日,在2023年中國(guó)汽車論壇上，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱表示，目前寧德時(shí)代已開發(fā)出全新的電解液材料：
新的電解液在零下20°C的極寒條件下可以將電池充電效率提高50%，正常溫度下則可以提高43%。
會(huì)后，吳凱接受記者采訪時(shí)對(duì)新的電解液做了進(jìn)一步分說明。據(jù)悉，無論是現(xiàn)有的磷酸鐵鋰電池、三元電池，還是寧德時(shí)代即將量產(chǎn)的M3P電池，“這種能夠改善電池低溫性能的新型電解液都適用。”
不過，吳凱也表示，針對(duì)不同類型電池，電解液的配方也會(huì)進(jìn)行微調(diào)。
基于正極材料的不同，鋰離子電池的兩種主流路線是鎳鈷錳三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池，M3P電池則是寧德時(shí)代推出的磷酸鹽體系的三元鋰離子電池，這款電池將首發(fā)于特斯拉上海工廠制造的MODEL 3改款。
只是，目前不管是哪種動(dòng)力電池，都存在冬季性能打折扣的問題。
今年12月份，長(zhǎng)春一位劉姓比亞迪秦車主，在接受記者采訪時(shí)就表示，入冬以后，車輛續(xù)航就出現(xiàn)直線下滑。而且由于冬季開車也需要空調(diào)暖風(fēng)和座椅加熱，因此耗電量也比春秋甚至夏季高出不少。
“我的車（秦Plus EV）官方續(xù)航600公里，但最近滿電只能行駛300公里左右。”
“入冬之前每百公里耗電12.8kWh，現(xiàn)在每百公里需要21.3kWh電量。”
另一位家住哈爾濱的特斯拉Model 3車主，也表示，冬季汽車的續(xù)航可能只有標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航的60%左右，汽車掉電極快，有趴窩的風(fēng)險(xiǎn)。
“我周圍沒有電動(dòng)汽車車主敢在東北的冬天，把汽車開到續(xù)航只剩50公里以下。”
相對(duì)來說，三元鋰離子電池較磷酸鋰鐵電池的情況尚好，但是適應(yīng)性仍然達(dá)不到車主們的正常需求。
鋰離子電池在低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)一直是制約其應(yīng)用范圍的一個(gè)重要因素。低溫下，鋰離子電池的容量、功率、循環(huán)壽命等都會(huì)受到影響，甚至出現(xiàn)安全隱患。為了提高鋰離子電池的低溫適應(yīng)能力，電解液作為電池的“血液”起著關(guān)鍵的作用。
電解液是鋰離子電池中負(fù)責(zé)傳遞鋰離子的介質(zhì)，由溶劑、鋰鹽和添加劑等組成。溶劑是鋰離子的載體，常用的有碳酸酯類溶劑，如EC、PC、DMC、DEC等；鋰鹽是鋰離子的來源，常用的有LiPF6、LiBF4、LiFSI等；添加劑是用來改善電解液性能的物質(zhì)，如VC、FEC等。
在低溫條件下，電解液的粘度會(huì)增加，導(dǎo)致鋰離子的遷移速度降低，從而增加電池內(nèi)部的極化和阻抗，影響電池的充放電效率和容量。此外，低溫充電時(shí)，鋰離子在負(fù)極表面容易形成金屬鋰或鋰枝晶，破壞電池結(jié)構(gòu)和安全性。
因此，優(yōu)化電解液配方是提高鋰離子電池低溫性能的有效途徑之一。目前，主要有以下幾種策略：
1. 選擇低粘度、高電導(dǎo)率、低熔點(diǎn)的溶劑和鋰鹽。例如，減少EC溶劑的含量，增加PC或線性碳酸酯溶劑的含量；使用LiFSI等新型鋰鹽替代LiPF6等傳統(tǒng)鋰鹽。
2. 添加低溫添加劑。例如，添加乙二胺四乙酸（EDTA）、三乙醇胺（TEA）等有機(jī)胺類物質(zhì)，可以降低電解液粘度和熔點(diǎn)，提高鋰離子活性和擴(kuò)散系數(shù)。
3. 添加成膜添加劑。例如，添加VC、FEC等物質(zhì)，可以促進(jìn)在正負(fù)極表面形成穩(wěn)定且導(dǎo)電的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），抑制金屬鋰或鋰枝晶的生成，保護(hù)電池結(jié)構(gòu)和安全性。
目前，也有一些企業(yè)和機(jī)構(gòu)在低溫電解液方面取得了進(jìn)展。例如，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的劉平教授等人發(fā)現(xiàn)，電解液中的溶劑化結(jié)構(gòu)會(huì)影響超低溫下的電荷轉(zhuǎn)移，這對(duì)于提高鋰金屬的庫(kù)侖效率和防止枝晶的形成非常重要。
他們用了兩種不同的溶劑，二乙醚（DEE）和1,3-二氧戊烷/1,2-二甲氧基乙烷（DOL/DME），分別制備了1 M LiFSI DOL/DME 和 1 M LiFSI DEE電解液，并比較了它們?cè)诔蜏叵碌碾娀瘜W(xué)性能。
他們通過實(shí)驗(yàn)和理論分析了低溫下的鋰沉積行為，然后將這些電解液用于具有真實(shí)電極負(fù)載的鋰金屬電池中。他們發(fā)現(xiàn)，在由高載量（3.5 mAh cm-2）硫化聚丙烯腈（SPAN）正極和過量一倍的Li金屬負(fù)極組成的鋰金屬電池中，使用DEE電解液的電池在-40和-60°C下循環(huán)50次后，仍能保持84％和76％的室溫容量，而使用DOL/DME電解液的電池則只有2.8%。
這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)超低溫鋰金屬電池電解液提供了指導(dǎo)，并展示了低溫電池性能的關(guān)鍵因素。
當(dāng)然，除了電解液之外，還有其他因素也會(huì)影響鋰離子電池的低溫性能，如正負(fù)極材料、隔膜材料等。因此，要全面提升鋰離子電池的低溫適應(yīng)能力，還需要從多方面進(jìn)行優(yōu)化和協(xié)調(diào)。例如，提高正負(fù)極材料的導(dǎo)電性和活性，增加隔膜材料的孔隙率和滲透性，采用自加熱技術(shù)等。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)車一般的帶電量在50度上下，電池低溫加熱、開暖風(fēng)等“必要”功能一開，可能瞬間就拿走了十幾度電，這也不奇怪電動(dòng)汽車為何會(huì)在寒冷的冬季變成“喜當(dāng)?shù)?rdquo;的存在。
但是現(xiàn)在，托“寧王”的福，冬季伺候“爹”的尷尬局面有望得到改善了。
近日,在2023年中國(guó)汽車論壇上，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱表示，目前寧德時(shí)代已開發(fā)出全新的電解液材料：
新的電解液在零下20°C的極寒條件下可以將電池充電效率提高50%，正常溫度下則可以提高43%。
會(huì)后，吳凱接受記者采訪時(shí)對(duì)新的電解液做了進(jìn)一步分說明。據(jù)悉，無論是現(xiàn)有的磷酸鐵鋰電池、三元電池，還是寧德時(shí)代即將量產(chǎn)的M3P電池，“這種能夠改善電池低溫性能的新型電解液都適用。”
不過，吳凱也表示，針對(duì)不同類型電池，電解液的配方也會(huì)進(jìn)行微調(diào)。
基于正極材料的不同，鋰離子電池的兩種主流路線是鎳鈷錳三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池，M3P電池則是寧德時(shí)代推出的磷酸鹽體系的三元鋰離子電池，這款電池將首發(fā)于特斯拉上海工廠制造的MODEL 3改款。
只是，目前不管是哪種動(dòng)力電池，都存在冬季性能打折扣的問題。
今年12月份，長(zhǎng)春一位劉姓比亞迪秦車主，在接受記者采訪時(shí)就表示，入冬以后，車輛續(xù)航就出現(xiàn)直線下滑。而且由于冬季開車也需要空調(diào)暖風(fēng)和座椅加熱，因此耗電量也比春秋甚至夏季高出不少。
“我的車（秦Plus EV）官方續(xù)航600公里，但最近滿電只能行駛300公里左右。”
“入冬之前每百公里耗電12.8kWh，現(xiàn)在每百公里需要21.3kWh電量。”
另一位家住哈爾濱的特斯拉Model 3車主，也表示，冬季汽車的續(xù)航可能只有標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航的60%左右，汽車掉電極快，有趴窩的風(fēng)險(xiǎn)。
“我周圍沒有電動(dòng)汽車車主敢在東北的冬天，把汽車開到續(xù)航只剩50公里以下。”
相對(duì)來說，三元鋰離子電池較磷酸鋰鐵電池的情況尚好，但是適應(yīng)性仍然達(dá)不到車主們的正常需求。
鋰離子電池在低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)一直是制約其應(yīng)用范圍的一個(gè)重要因素。低溫下，鋰離子電池的容量、功率、循環(huán)壽命等都會(huì)受到影響，甚至出現(xiàn)安全隱患。為了提高鋰離子電池的低溫適應(yīng)能力，電解液作為電池的“血液”起著關(guān)鍵的作用。
電解液是鋰離子電池中負(fù)責(zé)傳遞鋰離子的介質(zhì)，由溶劑、鋰鹽和添加劑等組成。溶劑是鋰離子的載體，常用的有碳酸酯類溶劑，如EC、PC、DMC、DEC等；鋰鹽是鋰離子的來源，常用的有LiPF6、LiBF4、LiFSI等；添加劑是用來改善電解液性能的物質(zhì)，如VC、FEC等。
在低溫條件下，電解液的粘度會(huì)增加，導(dǎo)致鋰離子的遷移速度降低，從而增加電池內(nèi)部的極化和阻抗，影響電池的充放電效率和容量。此外，低溫充電時(shí)，鋰離子在負(fù)極表面容易形成金屬鋰或鋰枝晶，破壞電池結(jié)構(gòu)和安全性。
因此，優(yōu)化電解液配方是提高鋰離子電池低溫性能的有效途徑之一。目前，主要有以下幾種策略：
1. 選擇低粘度、高電導(dǎo)率、低熔點(diǎn)的溶劑和鋰鹽。例如，減少EC溶劑的含量，增加PC或線性碳酸酯溶劑的含量；使用LiFSI等新型鋰鹽替代LiPF6等傳統(tǒng)鋰鹽。
2. 添加低溫添加劑。例如，添加乙二胺四乙酸（EDTA）、三乙醇胺（TEA）等有機(jī)胺類物質(zhì)，可以降低電解液粘度和熔點(diǎn)，提高鋰離子活性和擴(kuò)散系數(shù)。
3. 添加成膜添加劑。例如，添加VC、FEC等物質(zhì)，可以促進(jìn)在正負(fù)極表面形成穩(wěn)定且導(dǎo)電的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），抑制金屬鋰或鋰枝晶的生成，保護(hù)電池結(jié)構(gòu)和安全性。
目前，也有一些企業(yè)和機(jī)構(gòu)在低溫電解液方面取得了進(jìn)展。例如，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的劉平教授等人發(fā)現(xiàn)，電解液中的溶劑化結(jié)構(gòu)會(huì)影響超低溫下的電荷轉(zhuǎn)移，這對(duì)于提高鋰金屬的庫(kù)侖效率和防止枝晶的形成非常重要。
他們用了兩種不同的溶劑，二乙醚（DEE）和1,3-二氧戊烷/1,2-二甲氧基乙烷（DOL/DME），分別制備了1 M LiFSI DOL/DME 和 1 M LiFSI DEE電解液，并比較了它們?cè)诔蜏叵碌碾娀瘜W(xué)性能。
他們通過實(shí)驗(yàn)和理論分析了低溫下的鋰沉積行為，然后將這些電解液用于具有真實(shí)電極負(fù)載的鋰金屬電池中。他們發(fā)現(xiàn)，在由高載量（3.5 mAh cm-2）硫化聚丙烯腈（SPAN）正極和過量一倍的Li金屬負(fù)極組成的鋰金屬電池中，使用DEE電解液的電池在-40和-60°C下循環(huán)50次后，仍能保持84％和76％的室溫容量，而使用DOL/DME電解液的電池則只有2.8%。
這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)超低溫鋰金屬電池電解液提供了指導(dǎo)，并展示了低溫電池性能的關(guān)鍵因素。
當(dāng)然，除了電解液之外，還有其他因素也會(huì)影響鋰離子電池的低溫性能，如正負(fù)極材料、隔膜材料等。因此，要全面提升鋰離子電池的低溫適應(yīng)能力，還需要從多方面進(jìn)行優(yōu)化和協(xié)調(diào)。例如，提高正負(fù)極材料的導(dǎo)電性和活性，增加隔膜材料的孔隙率和滲透性，采用自加熱技術(shù)等。
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