锂离子电源CTM蓄电池在低温环境下快速温度变化下的降解机制
发布时间：2026-08-05 20:41:30 点击： 次
近年来，电池预热技术吸引了大量关注，以符合电动汽车快充趋势，并在低温下缩短充电时间。然而，预热技术追求的高加热速率通常伴随着快速温度变化（RTV），这可能带来电池劣化的风险。为了研究RTV对电池老化的影响，本研究开发了一个对照实验。实验中，采用自制散热装置，建立了两组LIB电池散热能力不同的情景。然后以相同的电流速率自我加热，导致温度变化率明显不同，一组表现出RTV，另一组则没有。两组细胞接受了600次RTV循环，SOC保持一致，加热电流被有意选择以防止其他老化诱导干扰RTV的探索过程。经过600个周期，RTV细胞的容量损失比对照组高出3.02%。通过全面分析，推断RTV降解主要由导电率损失和活性物质的损失所主导。
锂离子电池（LIB）具有高能量密度、低自放电率和长周期寿命的卓越性能，推动了电动汽车（EV）的快速发展[1]。电动汽车拥有多重优势，但其能量补充速度长期以来一直是与传统燃油车相比最受批评的短板。因此，众多电动汽车和电池制造商正试图开发快充技术来解决这一问题。目前市场上现有的快充技术稳定实现了2.2摄氏度的充电速率。预计5C快充技术将在2025年成熟，并在2027年商业化时将提升至6C[2]。这一进步依赖于电池材料的持续创新，从6系列高压阴极演进到9系列高压阴极[3]，将推动电动汽车朝着快速补能的方向发展。
对快速充电的需求是实现整个温度范围[4]，包括高纬度和高海拔的低温环境。在低温下以高电流速率充电电池很容易导致负负电位，进而引发锂沉淀的副反应。这种副作用可能对电池造成不可逆的损伤，甚至导致内部短路[5]。因此，快速充电通常需要与电池预热结合使用，这会增加充电过程的时间。为满足全温段快充要求，行业制定标准：低温预热充电相较正常快充时间延长时间应小于60%，高温冷却充电时间延长时间应低于85%[6]。该指标的建立激发了企业开发预热技术并加快其发展的热情。
电池预热技术可分为外部预热和内部预热。电池可通过重复利用传统冷却系统结构中的气流[7]、液体流动[8]和相变材料[9]进行外部预热，分别实现0.62°C/min、0.72°C/min和3.04°C/min的升温速率。然而，由于长距离热传递，外部预热方法通常存在高能量损失、温度均匀性差和低温升速的问题[10]。相比之下，内部预热是更理想的解决方案。吴志[11]以2°C直流放电电流预热LIBs，升温速率达3.2°C/min。刘志[12]提出一种振幅-频率解耦的车载交流加热器，预热电池时温度为3°C/100赫兹交流，升温速率为3.871°C/分钟。H. Baba[13]提出一种车载脉冲加热器，能以4°C/min温升速率预热电池，从−20°C。 欧阳[14]提出了一种与电动车原始结构兼容的加热器。它采用电动电机，最大电流可达4摄氏度，温度上升速率达到8.6摄氏度/分钟。王启世等人[15]甚至发明了一种自加热电池结构，能够以22摄氏度/分钟的温升速率快速预热电池。相关内容如图1所示。
毫无疑问，低温快充需求越高，电池预热的温升速度也越快。然而，快速温度变化（RTV）是否会对电池寿命产生不利影响仍是一个关注点。虽然固定低温或高温对电池降解的影响已有报道[16,17]——低温会导致负极电位降低并导致锂沉降，高温则导致固态电解质界面层的再生并导致进一步降解——但关于RTV对电池影响的研究尚未开展。尽管一些模拟研究表明RTV对电池老化的影响是负面的[18,19]，但仍然缺乏足够的物理实验来验证模拟结果的结论和推断，更不用说对其背后机制的深入研究了。这对判断提出了挑战，并对预热速率的必要性提出了疑虑。如果RTV对锂电池老化有显著不利影响，就必须在加热速率和电池劣化之间取得平衡。如果RTV对电池老化影响不大或影响不大，那么未来可以更加关注快速充电速率的提升。
本研究开发了一项对照实验，以探讨RTV对NCM锂离子电源电池在低温环境下老化的影响。实验中，采用自制散热装置，建立了两组电池具有不同散热能力的情景。当电池在低温下以相同电流自加热时，温度变化速率不同，一组表现出RTV，另一组则没有。实验期间，两组的加热电流和电荷状态（SOC）范围一致，并有意避免锂沉淀、过载和过放电的发生，以避免干扰RTV在老化领域的探索。电池随后以这种方式经历了600次加热循环，导致不同程度的老化。最后，全面采用破坏性和非破坏性检测方法追踪降解并评估其潜在机制。
简介
对快速充电的需求是实现整个温度范围[4]，包括高纬度和高海拔的低温环境。在低温下以高电流速率充电电池很容易导致负负电位，进而引发锂沉淀的副反应。这种副作用可能对电池造成不可逆的损伤，甚至导致内部短路[5]。因此，快速充电通常需要与电池预热结合使用，这会增加充电过程的时间。为满足全温段快充要求，行业制定标准：低温预热充电相较正常快充时间延长时间应小于60%，高温冷却充电时间延长时间应低于85%[6]。该指标的建立激发了企业开发预热技术并加快其发展的热情。
电池预热技术可分为外部预热和内部预热。电池可通过重复利用传统冷却系统结构中的气流[7]、液体流动[8]和相变材料[9]进行外部预热，分别实现0.62°C/min、0.72°C/min和3.04°C/min的升温速率。然而，由于长距离热传递，外部预热方法通常存在高能量损失、温度均匀性差和低温升速的问题[10]。相比之下，内部预热是更理想的解决方案。吴志[11]以2°C直流放电电流预热LIBs，升温速率达3.2°C/min。刘志[12]提出一种振幅-频率解耦的车载交流加热器，预热电池时温度为3°C/100赫兹交流，升温速率为3.871°C/分钟。H. Baba[13]提出一种车载脉冲加热器，能以4°C/min温升速率预热电池，从−20°C。 欧阳[14]提出了一种与电动车原始结构兼容的加热器。它采用电动电机，最大电流可达4摄氏度，温度上升速率达到8.6摄氏度/分钟。王启世等人[15]甚至发明了一种自加热电池结构，能够以22摄氏度/分钟的温升速率快速预热电池。相关内容如图1所示。
毫无疑问，低温快充需求越高，电池预热的温升速度也越快。然而，快速温度变化（RTV）是否会对电池寿命产生不利影响仍是一个关注点。虽然固定低温或高温对电池降解的影响已有报道[16,17]——低温会导致负极电位降低并导致锂沉降，高温则导致固态电解质界面层的再生并导致进一步降解——但关于RTV对电池影响的研究尚未开展。尽管一些模拟研究表明RTV对电池老化的影响是负面的[18,19]，但仍然缺乏足够的物理实验来验证模拟结果的结论和推断，更不用说对其背后机制的深入研究了。这对判断提出了挑战，并对预热速率的必要性提出了疑虑。如果RTV对锂电池老化有显著不利影响，就必须在加热速率和电池劣化之间取得平衡。如果RTV对电池老化影响不大或影响不大，那么未来可以更加关注快速充电速率的提升。
本研究开发了一项对照实验，以探讨RTV对NCM锂离子电源电池在低温环境下老化的影响。实验中，采用自制散热装置，建立了两组电池具有不同散热能力的情景。当电池在低温下以相同电流自加热时，温度变化速率不同，一组表现出RTV，另一组则没有。实验期间，两组的加热电流和电荷状态（SOC）范围一致，并有意避免锂沉淀、过载和过放电的发生，以避免干扰RTV在老化领域的探索。电池随后以这种方式经历了600次加热循环，导致不同程度的老化。最后，全面采用破坏性和非破坏性检测方法追踪降解并评估其潜在机制。