极端温度下新能源动力电池研究综述

杨书棋

江南机电设计研究所，贵州 贵阳 550000

摘要:动力电池作为新能源汽车的心脏，支撑着新能源汽车一路向前，但是在极端环境温度下，传统动力电池却展现出较差的电化学性能。本文通过了解国外多种不同的先进研究技术，为探索下一代动力电池的发展方向提供参考。

关键词:极端温度 动力电池 超高温超低温

1引言

新能源汽车按照动力种类可以分为三种类型：燃料动力电池汽车（FCV）、混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（EV）。燃料电动汽车用燃料发电给汽车提供电能作为动力，混合动力汽车为内燃机和动力电池配合使用提供动力，纯电动汽车依靠可充电动力电池提供电能作为动力，无论是哪种新能源汽车，动力电池都是其必不可少的重要组成部分[1]。因此，动力电池作为新能源汽车的关键部分，其核心技术的发展倍受关注。

但动力电池在高温、低温等极端温度方面也存在一定缺陷。在O℃以下锂离子动力电池的输出性能受影响，放电比容量和电压平台严重下降。在-40℃动力电池只能几乎不能正常放电。当环境高于动力电池的工作温度后，动力电池内不可逆极化反应速率提升，动力电池循环性能降低[2]。当动力电池温度进一步升高，会造成动力电池热失控，动力电池将出现漏液、放气、冒烟等现象，甚至发生动力电池起火爆炸，造成生命财产安全损失[3]。

因此开发、改性相关材料，优化制作工艺，提高动力电池低温、高温等极端温度下动力电池性能是锂离子动力电池目前研究的一大重要方向。

2 国外研究进展

2.1固态动力电池

2021年，LG能源公司宣布开发出固态动力电池低温充电技术,此技术能保证动力电池在充电温度为25℃的环境温度下循环500次，剩余容量依旧高达80%,将传统的固态动力电池的充电温度从60℃降至25℃[4]。

这项固态动力电池低温充电技术是LG公司和美国加州大学圣地亚哥分校共同研发而成。这项技术不单止可以降低动力电池充电过程中的温度,还可以显著提升动力电池的能量密度。不过,此项技术目前还存在性能一致性差、充电不易等缺陷。为解决以上问题,LG公司下一步目标是采用直径约为5um硅颗粒进行替代。

LG公司还表示,与传统的锂离子动力电池相比固态动力电池拥有体积小、安全性高、无毒等优势，将会为新能源汽车、便携式电池等领域有力的续航保障。

2.2 磷酸盐动力电池

2020年，动力电池制造商A123公司宣布开发出一种新型动力电池,在取消对加热、散热系统的需求下,能在极端温度下正常工作[5]。A123公司将这项新技术称为下一代纳米磷酸盐EXT锂离子动力电池技术。

纳米磷酸盐EXT锂离子动力电池技术有以下两个优点：低温环境下，纳米磷酸盐电化学反应比传统的纳米磷酸盐高出20%-30%。在高温时，动力电池循环性能是传统动力电池的2倍-3倍，是铅酸动力电池的10倍。A123公司发表的测试结果显示，在-45℃条件下，动力电池容量保持率高于100%。

下一代纳米磷酸盐EXT锂离子动力电池技术有望拓宽新能源汽车的工作环境温度，减少为保持环境温度舒适性而增加的复杂恒温系统，并降低电池系统的使用成本。

2.3 无钴动力电池

特斯拉历代车型采用的锂离子动力电池一直在向低钴化发展。2012年，特斯拉成功在Roodster和Model车型上使用宽18mm*高65mm的18650型号的小单元组动力电池[6]。因为18650型号圆柱形电芯之间存在不可消灭的间隙，因此给电芯热膨胀空隙，有利于电芯安全性的提升。并且通过电池管理系统实现对每个电芯的单一管理，实时监控电芯状态，调节电芯的电流与电压，极大的延长动力电芯的使用寿命。

2016到2018年期间，特斯拉ModelS和ModelX同样也是使用松下18650型号动力电池，但是其中每车钴含量从11kg下降到7kg。

2018年开始，Model3的动力电池从18650动力电池升级成了21700动力电池，突破性的能量密度达260－280Wh／kg，而钴含量下降到4．5kg左右。

2012年，特斯拉在ModelS上，钴的使用量是11千克／辆车；2018年，特斯拉在Model3上，钴的使用量为4．5千克／辆车，消耗量仅为2．8％。

2019年，路透社报道特斯拉将采购宁德时代的无钴动力电池，由正极材料磷酸铁锂和负极材料石墨/硅氧化物组成。特斯拉表示下一代动力电池含钴量要为零。

2.4有机质子动力电池

乌普萨拉大学的克里斯蒂安·斯特雷泽（ChristianStrietzel）将醌和噻吩作为电极材料[7]，并使用酸性水溶液作为电解质，成功研究出一种优异大倍率、耐低温的有机质子动力电池。

实验结果表明，-24℃的温度下，在该动力电池在恒电压，最大60mAh/g的电流密度下充电。经过500次循环后，动力电池容量保持率为85％。

研究小组指出，下一步将对有机材料组及其与水基电解质的界面进行研究，这将使其成为集成光伏装置的理想动力电池材料。

2.5惰性电解液动力电池

莱登能源公司用石墨集电器替换铝制集电器和酰亚胺钠替换六氟磷酸锂，结果表明，在60℃以上的高温下，动力电池循环性能等各项电化学性能未下降[8]。此外，动力电池的能量密度比传统电动汽车中使用的锂离子电池高50%。莱登公司表示，传统电池公司采用锂离子磷酸盐等阴极材料能对抗高温，但其能量密度较低。因此，将改进的重心放在会影响动力电池电极性能、电解液和集电器上。

此动力性能提高机理可归结于酰亚胺钠在高温下优异的稳定性，取代室温下就会分解的六氟磷酸锂。但酰亚胺钠也会引起麻烦，它会腐蚀铝制集电器，因此，莱登公司就用了能对抗这种腐蚀的石墨来替代。

2.6自组装电解液动力电池

麻省理工学院（MIT）的学者发明了一种有助于锂动力电池和超级电容器的性能提高的新型电解液[9]。

他们将利用一种类似于表面活性剂的化合物分散到电解液中，使其能量密度超过了许多其他电解质，此外。在高温下，它具有高粘度，因此有助于提高动力电池的稳定性和安全性。机理为其分子在与另一种电极接触时，以一种高度有序的结构进行了组装，这种有序的结构有助于防止过滤网现象。

这种电解质在高温下的性能更为突出，比常见的动力电池中使用的其他电解质更安全、更不易燃烧，将动力电池能量密度提高4-5倍，有希望用于下一代电动汽车和消费电子产品中。

2.6“钝化动力电池”动力电池

美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳团队联合科技公司ECPower宣布在动力电池上取得了突破性进展，提出“钝化动力电池”加热使用的理念，即通过加热超稳定材料来制作动力电池来抵抗极端温度[10]。

实验表明，SEB动力电池在瞬间加热到60℃时，动力电池阻抗大大降低，保障高功率输出。循环次数4000时，容量保持率比常规动力电池大81%。该动力电池在针刺、高电压冲击、高温储存等极端破坏性条件下均表现出较高的安全性。

SEB动力电池实现了60℃高温下高容量保持率，打破了目前锂动力电池的循环纪录，为通勤车等需要长时间作业的车辆提供了长寿命的保障。

3 结论

极端温度虽然是困扰目前动力电池的瓶颈，但是在研究者一直在不断地优化其电化学性能。从正极材料、负极材料、电解液到集电器，从液态电池到固态电池再到有机质子动力电池，我们的技术在不断突破，相信在不久的未来，动力电池能在极端温度表现出优异的电化学性能。

参考文献

[1]王震坡, 李晓宇, 袁昌贵,等. 大数据下电动汽车动力电池故障诊断技术挑战与发展趋势[J]. 机械工程学报, 2021, 57(14):52-63.

[2]王记磊, 杨坤, 刘庆新,等. 新能源汽车用锂离子动力电池单体选型方法[J]. 机械设计与制造, 2020(4):4.

[3]黄凯峰, 王永. 新能源汽车用锂离子动力电池单体选型方法研究[J]. 汽车世界, 2020.

[4]金明焕.2021可持续发展报告[N].TheElec.2021,9.

[5]Yet-Ming Chiang. A123公司开发出极端温度下的电池技术[N]科技风.2020.

[6]杨航. 特斯拉纯电动汽车技术探索[J]. 科技风, 2019(8):1.

[7]Christian Strietzel.An aqueous conducting redox polymer based proton battery that can withstand rapid constantvoltage charging and subzero temperatures.Angewandte Chemie.2022.

[8]布雷恩·怀斯曼.美国研发新式耐高温锂离子电池[N].技术评论2021,12.

[9]Dr.Harish Banda et al.Dual-Ion Intercalation and High Volumetric Capacitance in a Two-Dimensional Non-Porous Coordination Polymer

.Angewandte Chemie.2021,12,8.

[10]Wang, CY., Liu, T., Yang, XG. et al. Fast charging of energy-denselithium-ion batteries.Nature.2022.