环境工作温度是决定锂离子电池内阻和极化的主要因素。 随着温度下降，电解质离子电导率、锂离子扩散速率和电化学反应速率均会降低，从而导致欧姆电阻和极化电阻增加。其结果是在大电流放电时电压降更大，充电时所需的电压更高。较高的温度通常会减少这些动态电压损耗，尽管它们会加速电池老化并带来安全风险。
温度改变的是电池的表观电气行为，而不仅仅是其可用容量。 因此，准确的性能测试和电池仿真需要测量在预期温度范围内的电阻和极化参数。
为什么温度会改变内阻
低温会增加欧姆电阻
在低温环境下，电解质传导锂离子的效率降低。这增加了电池的直流欧姆电阻，该电阻代表了与电流流过电池电阻元件相关的瞬时电压损耗。
这种影响表现为施加电流时端电压的瞬时变化：
[ \Delta V_{\text{ohmic}} = I \times R_{\text{ohmic}} ]
对于相同的测试电流，较高的电阻会产生比开路电压更大的电压偏差。
电解质和电子路径表现不同
温度对每个电阻分量的影响方式并不相同。电解质电阻受离子电导率的影响很大，通常随温度降低而升高。
金属导体可能表现出不同的温度依赖性，但在许多锂离子电池中，电解质和电化学电阻在低温下的增加主导了测量到的行为。
较高温度可减少瞬时电压损耗
升高的温度改善了电解质的离子电导率，并加速了电化学反应动力学。这通常会降低电池测量到的极化电阻，并减少负载下的动态电压损耗。
这种改善对于短期功率性能很有用，但不应将其与长期耐久性的提高混为一谈。
温度如何改变极化
寒冷条件会增加活化极化
在低温下，电极上的电化学反应进行得更慢。因此，电池需要更大的过电位来维持所需的充电或放电电流。
这种增加的活化极化表现为电池平衡电压与其工作电压之间更大的分离。
缓慢的扩散产生浓差极化
锂离子通过电解质和电极材料的传输在寒冷条件下也会减慢。在大倍率运行期间，锂离子无法足够快地重新分布以保持均匀浓度。
由此产生的浓度梯度会产生浓差极化，增加了由欧姆电阻和活化电阻引起的电压损耗。
大倍率放电放大了这种影响
极化随电流增加而增大，因此低温效应在大倍率测试中尤为明显。一个以 4 C 放电的电池在 4 °C 下表现出的电压降比在室温下要大得多；主要参考资料报告称，在其所述的测试设置中电压降约为 10 V。
该量级应在被测电池或电池组配置的背景下进行解读，因为单个锂离子电池通常无法在不超出其正常工作范围的情况下承受 10 V 的端电压降。
充电比放电更敏感
在低温充电期间，缓慢的锂离子传输会导致锂离子在石墨负极表面附近积聚。由此产生的浓差极化增加了为电池充电所需的电压。
在足够严苛的条件下，金属锂可能会沉积在负极上。这种析锂现象会降低可用容量，并可能造成严重的内部短路等安全风险。
性能测试实际测量的内容
端电压结合了多种效应
测量到的端电压不仅由开路电压决定。一个简化的表示如下：
[ V_{\text{terminal}} = V_{\text{OCV}}
- I R_{\text{ohmic}}
- \eta_{\text{activation}}
- \eta_{\text{concentration}} ]
在充电过程中，符号会按预期方向反转，因为测试仪必须将端电压提高到平衡电压之上。
温度会改变这些项中的每一项，特别是欧姆和极化分量。
脉冲测试区分快速和慢速响应
电流脉冲可以通过快速的电压阶跃揭示瞬时欧姆响应。随后的较慢电压变化反映了电化学极化、扩散限制和其他动态过程。
低温下滞后现象更为明显
低温会增加在相似荷电状态下充电时观察到的电压与放电时观察到的电压之间的差异。这种电压滞后反映了延迟的电化学和扩散响应。
如果模型忽略了这种行为，它可能会在低温运行期间错误地估计荷电状态、可用功率或能量效率。
为什么受控温度测试很重要
必须精确记录环境温度
在比较电池结果时，“室温”并不是一个充分的测试条件。在 20 °C 下测试的电池和在 25 °C 下测试的电池可能会表现出明显不同的电阻和极化行为，特别是在大电流下。
测试记录应包括电池温度、环境温度、电流曲线、荷电状态、静置时间和热稳定时间。
热平衡影响可重复性
箱体空气温度与电池内部温度并不一定相同。大电流脉冲也会在测试过程中产生内部热量。
可靠的测量需要电池有足够的时间达到目标温度，并在整个测试过程中保持一致的热条件。
应在整个工作范围内表征电阻
为了进行高精度仿真，应在多个温度下测量内阻，而不是用单一的室温值来表示。结果可以存储在查找表中，或通过与温度相关的参数模型来表示。
这些参数通常也应随荷电状态、电流方向和脉冲持续时间而变化，因为电阻和极化并非固定的电池常数。
理解权衡
较高温度可提高功率但会加速老化
温暖的电池通常能提供更好的大倍率功率，因为它们的电阻和极化损耗较低。然而，升高的温度会加速副反应、容量衰减和结构退化。
因此，高于约 40–50 °C 的温度需要仔细解读：瞬时性能可能会提高，但循环寿命和安全裕度会下降。
较低温度可保留某些过程但降低可用性能
低温运行可以减少自放电并减缓某些退化反应。这些好处无法抵消因电阻和极化增加而导致的可用功率和容量损失。
在 0 °C 以下，充电尤其令人担忧，因为随着离子传输和嵌入受到限制，析锂的风险会增加。
电池组中的均匀性很重要
即使平均温度看起来可以接受，电池组内部的电池也可能处于不同的温度。保持电池间的温差（ΔT）在约 5 °C 以内有助于保持容量一致性并减少不均匀老化。
因此，测试不仅应评估平均环境温度，还应评估整个电池组的温度梯度。
容量结果并非单纯的材料测量
低温容量减少可能是由于极化导致电压提前达到测试截止点，而不是活性材料的永久性损失。例如，极低的温度会通过电化学利用不足而大幅降低可用放电容量。
容量测试应通过在电池恢复到受控参考温度后重复测量，来区分可逆的温度诱导限制与不可逆的容量衰减。
为您的目标做出正确的选择
考虑温度的测试设计应反映所要回答的性能问题。
- 如果您的主要关注点是高功率性能： 在每个相关的温度、荷电状态和电流倍率下测量脉冲电阻和动态极化。
- 如果您的主要关注点是充电安全： 包括低温充电测试，并监测电压行为，观察是否有过大过电位和可能析锂的迹象。
- 如果您的主要关注点是仿真精度： 为欧姆电阻、极化电阻和弛豫行为填充与温度相关的查找表或参数模型。
- 如果您的主要关注点是循环寿命： 将高温测试与短时功率测试分开，因为改善的瞬时导电性可能与加速的降解同时存在。
- 如果您的主要关注点是电池组一致性： 控制并记录电池间的温度变化，而不仅仅是箱体设定点或平均电池组温度。
准确的锂离子电池表征始于将温度视为核心电气参数，而不是次要的测试条件。
总结表：
| 温度条件 | 欧姆电阻 | 极化 | 对性能的影响 |
|---|---|---|---|
| 低温 | 增加 | 增加（活化和浓差） | 功率、容量和充电安全性降低；负载下电压降更大。 |
| 高温 | 降低 | 降低（短期） | 短期功率改善，但老化加速且存在安全风险。 |
| 室温（参考） | 基准 | 基准 | 比较性能的标准条件。 |
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