为什么低温运行会降低锂离子电池的充电容量？关键因素与测试系统

低温运行会降低锂离子电池的充电容量，因为寒冷条件会减缓离子传输并增加内阻，导致极化和过电位升高。 因此，电芯在尚未储存同等能量的情况下，就会达到允许的最大充电电压，从而提前终止充电。气候控制电池测试系统能够复现这些温度，同时精确控制电流、电压和热条件，使研究人员能够区分动力学限制与材料或设计问题。

低温并不会简单地从电芯容量中移除锂，而是会降低充电过程的效率，并使其更容易受到电压限制。 受控电池测试可以揭示容量损失的程度、损失原因，以及哪些充电电流或电芯设计能够安全地恢复容量。

低温为何限制充电

离子传输变慢

随着温度下降，锂离子在电解液和电极材料中的运动效率会降低。石墨负极中的锂嵌入和脱出动力学也会变慢。

这意味着电芯需要更大的电驱动力，才能维持相同的充电电流。实际上，电池的表现就像电阻变大了一样。

内阻增加

低温会增加电芯内部的欧姆内阻和电化学阻力。更多输入的充电能量会在内部耗散，而不是转化为与荷电状态相关的化学能。

由此产生的电压升高并不能准确表明电极已经充满电。它部分是低温引起的电阻和反应限制所导致的结果。

过电位升高

过电位是使电化学反应超出其平衡电压所需的额外电压。在低温下，过电位幅值会显著增加。

因此，电芯端电压可能在充电周期更早阶段就达到上限。此时，即使电极尚未达到室温下的锂存储水平，充电器也必须降低电流或停止充电。

极化滞后增强

低温运行还会放大极化滞后，即充电和放电过程中的电压响应差异变大，并且更加依赖运行路径。

这表明，更多输入能量被动力学损失和电阻损失消耗。充电过程中能够直接用于有效化学能存储的部分因此减少。

容量损失在测试中的表现

电芯达到化学满电前，充电容量就会下降

当电芯按照固定协议充电时，低温下可能会提前达到电压上限。因此，即使电极材料仍然保留未使用的存储能力，测得的充电容量也会下降。

例如，根据主要参考资料，在0°C下进行变电流充电时，充电容量可能降至20°C时容量的约91%。

放电容量也会下降

同样的低温限制也会影响放电。锂传输迟缓和极化增加，会阻碍活性材料在标准电流倍率下得到充分利用。

在−20°C等温度下，由于锂离子无法足够快速地移出石墨结构，含锂的石墨相可能仍然残留。在约−30°C时，恒流放电容量可能比室温下降约20%。

C倍率会改变观测结果

电池在低温下缓慢放电时，可能释放出明显更多的容量。例如，将倍率从约0.2 C降至C/20，可以为锂离子在电极中迁移提供更多时间。

这一差异非常重要：高电流下测得的低容量可能反映的是倍率限制，而不是活性材料的永久损失。

低温充电为何需要谨慎

电压限制可能掩盖未充满电的情况

传统充电器通常根据端电压作出响应。在低温条件下，端电压中由电阻和极化产生的部分会增加。

因此，尽管电芯的真实荷电状态低于预期，充电器仍可能将电压受限状态误判为充满电状态。

析锂会成为安全隐患

在低温下为石墨负极充电会变得越来越困难，因为锂离子嵌入动力学变慢，而施加的电流仍会持续推动锂离子向负极移动。

在温度、荷电状态和电流的不利组合下，石墨表面可能发生金属锂析出。这会降低性能并带来安全风险，因此必须对低温充电协议进行评估，不能想当然地认为其安全。

电池包层面的差异会放大问题

在电池包中，各电芯的温度或电阻不一定完全相同。温度更低或性能更弱的电芯可能会比其他电芯更早达到电压上限。

该电芯随后会限制整个电池包允许的充电功率。因此，热均匀性以及电芯之间的电压变化，与电池包平均温度同样重要。

气候控制电池测试系统测量的内容

受控温度暴露

气候控制电池测试系统将可编程电气测试与环境箱或热控制系统结合起来。

研究人员可以将电芯置于包括零下条件在内的指定温度下，同时保持可重复的热过程曲线。这样就可以比较不同温度下的性能，而不会将温度影响与电流或测试流程的变化混淆。

精确的充放电曲线

测试系统可以控制：

• 充电和放电电流
• 恒流和恒压阶段
• C倍率和多阶段曲线
• 电压截止值
• 静置时间
• 循环次数
• 温度设定点和温度变化过程

这种精度使研究人员能够确定容量损失主要是由大电流、低温、电压截止行为，还是这些因素的综合作用造成的。

过电位和滞后分析

通过高分辨率记录电压、电流、容量和温度，系统可以量化过电位随温度降低而发生的变化。

系统还可以比较充电和放电电压路径，以评估极化滞后。这些测量有助于区分可逆的动力学损失和不可逆的衰减。

温度梯度评估

测试系统可以在温度梯度下评估电芯，而不仅仅是在单一均匀温度下进行测试。这对于模组和电池包尤其重要，因为温度差异可能导致电流分布不均和电压上限提前触发。

所得数据可以识别最弱电芯，并确定电池包温度不均匀对整体性能造成了多大限制。

测试如何支持更好的电芯和充电设计

确定安全电流上限

低温测试的一个关键结果是与温度相关的充电电流图谱。该图谱可以确定每种温度下可接受的电流，同时限制过度极化和析锂风险。

最终方案可能是降低电流的充电策略、增加预热阶段，或暂时禁止在低于规定温度时充电。

比较材料和配方

受控测试可以直接比较电解液配方、电极结构和电芯设计。

新配方可能在零下温度下表现出更低的电阻、更小的滞后或更好的容量保持率。由于热条件和电气条件均已标准化，因此可以更有把握地将性能差异归因于被评估的设计。

区分可逆损失与衰减

如果电芯在升温或降低倍率测试后能够恢复容量，则说明其存在明显的动力学限制。无法恢复容量的电芯则可能已经发生不可逆衰减。

温度控制循环测试有助于研究人员作出这一判断，避免将暂时性的寒冷天气性能下降误解为永久性容量损失。

支持准确的荷电状态估算

电压、温度、电流和荷电状态之间的关系是非线性的。在室温下能够表示特定荷电状态的电压读数，在低温条件下可能具有误导性。

与温度相关的测试数据可以改进电池管理系统模型，帮助其更可靠地估算可用能量。

了解其中的权衡

降低充电速度有助于释放容量，但会降低便利性

降低充电电流可以减少极化，并使更多锂离子进入电极结构。然而，这会延长充电时间，可能无法满足车辆、电网储能或工业运行的要求。

加热可以改善动力学，但会消耗能量

预热电池可以降低电阻并改善充电接受能力。但加热所需的能量、达到适宜温度所需的时间，以及由此增加的系统复杂性，都必须纳入整体效率评估。

提高温度可以改善性能，但会加速老化

适度升温通常可以改善反应动力学和可用容量。然而，过高的温度会加速副反应、缩短循环寿命并增加安全风险。

目标并不是简单地让电池尽可能在高温下运行，而是将电芯维持在受控的温度范围内，以平衡性能、寿命和安全性。

容量恢复并不能证明低温运行没有危害

电芯在升温或低倍率测试后可能恢复容量，但这并不意味着其未经历有害的运行条件。性能恢复与长期耐久性是两个不同的问题。

因此，低温研究应同时包括即时容量测量和后续衰减跟踪。

如何将这些内容应用于您的项目

最有价值的测试方案应结合温度控制、可编程电流曲线、高分辨率电压测量和可重复循环测试。

• 如果您的主要关注点是充电安全：绘制充电电流与温度、荷电状态和电压响应之间的关系图，以识别会增加极化或析锂风险的条件。
• 如果您的主要关注点是可用能量：在每种温度下测试多个C倍率，以区分动力学损失、极化损失和材料利用率损失。
• 如果您的主要关注点是电芯开发：使用相同的热过程曲线和电气测试协议比较电解液、电极和电芯设计。
• 如果您的主要关注点是电池包性能：测量电芯之间的温度和电压差异，以确定最弱或最冷的电芯如何限制电池包功率。
• 如果您的主要关注点是电池管理系统：使用与温度相关的电压、容量和电阻数据，改进荷电状态和可用功率估算。

通过受控热测试，低温容量损失将从无法解释的现场故障，转变为可测量的工程限制。

汇总表：

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