极端温度如何影响锂离子电池测试过程中的极化电压、可用容量和安全特性？实现可靠性能评估的关键见解。

极端温度会使同一个锂离子电池在电气和化学特性上表现出巨大的差异。 低温会增加内阻和极化电压，导致电压骤降，并大幅降低可用放电容量。高温通常会降低瞬时极化损耗，但会加速副反应、容量衰减和热安全风险。

温度不仅影响电池的输出能力，还影响其输出的安全性。 低温主要导致高极化、可用容量降低以及析锂风险；高温则在提高短期功率性能的同时，加速了电池老化并增加了热失效的风险。

温度如何改变极化电压

为什么低温会增加极化

在低温下，电解质离子电导率降低，锂离子扩散减慢，电化学反应动力学活性减弱。这些效应增加了电池的欧姆电阻、电荷转移电阻和浓差电阻。

其结果是电池的平衡电压与负载下的工作电压之间的差异变大。在放电过程中，表现为更大的电压骤降；在充电过程中，则表现为更高的电压需求。

浓差极化成为主导

低温减缓了锂离子通过电解质和电极材料的传输。离子在电极表面附近的积累速度快于其扩散进入活性材料的速度，从而产生强烈的浓差极化。

这在高充电或放电倍率下尤为重要。即使电极内部仍有大量电化学能量，电池也可能因过早达到放电截止电压而停止工作。

为什么高温会降低瞬时极化

适度升高的温度可改善电解质电导率并加速电荷转移反应。因此，极化电阻通常会下降，大电流下的动态电压损耗也会减小。

这可能使处于温暖环境下的电池在短期测试中表现出更好的功率能力和更低的内阻。然而，这种益处并不意味着长时间的高温运行是无害的。

温度如何改变可用容量

低温降低了可用容量

在低温下，电池的实测放电容量可能会大幅下降，因为极化增加导致端电压过早达到截止极限。这是测试条件下可用容量或可及容量的减少，并不一定意味着所有活性电极材料的立即损失。

这种效应在大电流下更为严重。因此，在低温和高倍率下测试的电池，其表现出的容量可能远低于在室温附近以较低倍率测试的同一电池。

低温环境可能造成持久损害

虽然部分低温容量损失在电池恢复到合适温度后是可逆的，但对低温电池进行充电可能会造成永久性损坏。缓慢的锂离子传输可能导致锂在石墨负极上沉积为金属锂，而不是正常嵌入。

反复的析锂会消耗活性锂、增加阻抗、降低未来容量并产生内部缺陷。

高温可提高短期容量但降低容量保持率

较高的温度可以暂时改善离子传输并降低极化，从而使电池在高速率测试中释放出更多的标称容量。这可能会产生良好的短期容量和功率结果。

然而，在较长的循环周期内，高温会加速带电电极材料与电解质之间的寄生反应。这些反应会消耗活性材料、增加阻抗，并导致更快的容量保持率下降。

温度如何改变安全特性

低温充电增加了析锂风险

最重要的低温安全问题是充电过程中的析锂。当低温与高充电电流或高荷电状态（SOC）结合时，风险会增加。

析出的锂可能形成具有电气危险性的结构，并可能损坏隔膜或造成内部短路。因此，低温充电限制必须比常温限制更为保守。

高温加速化学降解

高温会加速电解质分解、电极-电解质副反应、产气以及其他老化机制。这些反应会增加内阻并降低电池安全运行的能力。

随着温度升高到寄生反应和结构退化迅速加速的范围，风险会变得更加严重。

高温降低极化但缩小了安全裕度

处于温暖环境下的电池可能表现出更低的极化电压和更好的表观功率能力，但对滥用的耐受力却会降低。持续加热会形成反馈回路：副反应产生热量，温度升高又加速了反应，使电池更接近热失控状态。

因此，低极化并不是安全性的充分指标。测试必须同时评估电气性能和热降解情况。

极端温度对电池测试的意义

控制电池本体温度，而不仅仅是环境箱温度

环境箱的设定值并不一定等于电池的实际温度。大电流循环会产生内部热量，而大型电池和电池组可能会产生温度梯度。

精确的测试需要监测相关的电池温度，并控制测试环境，以确保热条件的可重复性。

区分可逆效应与永久性降解

低温测试应区分暂时的电压和容量限制与低温充电造成的损坏。一种有效的方法是比较电池在回到受控参考温度前后的性能。

如果容量在升温后恢复，则最初的限制主要与传输和极化有关。如果容量或阻抗保持改变，则测试可能导致了不可逆的降解。

测量指标不应仅限于容量

稳健的热测试应记录：

• 负载下的电压响应，包括电压骤降和恢复。
• 相关电流倍率下的充放电极化。
• 全温度范围内的直流电阻或阻抗。
• 指定截止限制下的可用容量。
• 表面温度行为，以及可能时的内部温度行为。
• 析锂、产气、膨胀或异常自热的迹象。
• 反复循环过程中的容量保持率和阻抗增长。

这些测量结果揭示了温度是在改变瞬时功率输出、长期老化，还是两者兼而有之。

使用依赖温度的模型

电池模型不应假设单一的固定电阻或极化参数。内阻和动态电压行为随温度、荷电状态、电流和老化状况而变化。

为了进行精确的仿真和状态估计，应通过经过验证的查找表或基于预期工作范围内测量结果的参数模型来表示与温度相关的参数。

理解权衡取舍

极化降低并不总是意味着运行更好

提高温度可以改善电导率并减少电压损耗，但也会加速不必要的化学反应。仅在高温下进行的测试可能会夸大短期功率能力，而低估长期降解。

低温容量损失不等同于永久性容量损失

低温放电可能会报告容量减少，因为电池过早达到了电压截止点。除非在参考温度下对电池进行复测，否则将此结果解释为电极容量的立即损失可能会产生误导。

在正常范围之外进行测试可能会损坏样品

极端温度测试对于确定极限很有用，但它们可能会永久性地改变电池。因此，低温充电和高温循环应被视为受控的滥用或耐久性实验，而不是可互换的常规性能测试。

电池组层面的温度差异很重要

即使平均电池组温度在可接受范围内，电池之间的温差也可能导致电阻、极化、老化和荷电状态的不均衡。热均匀性对于有意义的电池组层面容量和安全比较至关重要。

为您的目标做出正确的选择

温度应作为测试定义的一部分来选择，而不是仅仅作为背景条件。

• 如果您的主要关注点是极化电压： 在受控温度和多种电流倍率下测量电压响应和内阻，并特别注意低温下的浓差极化。
• 如果您的主要关注点是可用容量： 报告容量时应同时注明温度、C倍率、截止电压以及回到参考温度后的恢复容量。
• 如果您的主要关注点是低温充电： 使用保守的电流限制，并监测析锂指标、阻抗增长和不可逆的容量损失。
• 如果您的主要关注点是高温耐久性： 跟踪容量保持率、阻抗演变、产气或膨胀行为以及自热情况，而不是仅仅依赖初始功率性能。
• 如果您的主要关注点是电池建模： 根据整个工作范围内的测量结果填充与温度相关的电阻和极化参数。
• 如果您的主要关注点是安全认证： 同时测试低温充电和高温条件，因为它们表现出不同的失效机制，不应由单一的温度限制来代表。

可靠的锂离子电池测试将温度视为主要的电化学和安全变量，而不仅仅是环境设置。

总结表：

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