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導(dǎo)語(yǔ)：還有幾天就要邁入2024年，恰逢“跨年寒潮”來(lái)襲，全國(guó)多地都發(fā)布了低溫預(yù)警，冬季電動(dòng)車電池“體虛畏寒”續(xù)航縮水，不敢開空調(diào)？冬季才是電動(dòng)汽車的「真焦慮期」。“一到冬天卻“原形畢露”，往返充電站的次數(shù)變多了，空調(diào)也不敢開了，開車時(shí)最佳取暖模式居然是“毛毯”！多么痛的領(lǐng)悟。

一、電動(dòng)車發(fā)展十幾年，冬季續(xù)航縮水無(wú)明顯改善

根據(jù)2021年12月31日，中國(guó)汽研和新能源汽車國(guó)家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟發(fā)布白皮書稱，國(guó)內(nèi)外近10年累計(jì)53款新能源汽車的低溫衰減數(shù)據(jù)表明，2012年-2021年期間，新能源汽車的低溫續(xù)駛里程保持率平均值及分布范圍并未發(fā)生顯著變化，65.38%的新能源汽車在低溫環(huán)境下的續(xù)駛里程保持率處于52.8%-67.2%左右。

目前純電動(dòng)汽車大部分采用兩種電池，即三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的能量密度較三元鋰電池相差很多，磷酸鐵鋰電池單體能量密度通常在90-120Wh/kg之間，而三元鋰電池單體能量密度可以達(dá)到200Wh/kg左右，可見三元鋰電池的能量密度優(yōu)勢(shì)較為明確。

低溫條件下磷酸鐵鋰電池雖然耐高溫，但三元鋰電池耐低溫性能更好，是制造低溫鋰電池的主要技術(shù)路線，在零下20°C時(shí)，三元鋰電池能夠釋放70.14%的容量，而磷酸鐵鋰電池只能釋放54.94%的容量，且由于在低溫條件下，三元鋰電池的放電平臺(tái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池電壓平臺(tái)啟動(dòng)也更快。

二、為什么三元鋰離子電池比磷酸鋰鐵電池更耐寒？

電池冬季續(xù)航縮水的原因很簡(jiǎn)單，在溫度低的時(shí)候，電池里面的一些電解液變得更加的黏稠,電解液的活性下降，鋰離子從負(fù)極移動(dòng)到正極的過(guò)程不夠順暢，這就會(huì)導(dǎo)致電池的放電能力變差，產(chǎn)生的最直接的影響就是電池放電容量變低，從而導(dǎo)致續(xù)航降低。

三元材料是鎳鈷錳，以層狀結(jié)構(gòu)排列，但是磷酸鐵鋰采用的是八面體橄欖石結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了磷酸鐵鋰電池的容量更低，離子在三元鋰這種層級(jí)結(jié)構(gòu)中遷移非常容易，但八面體在遷移的過(guò)程中，阻力更大、活性變低，電量更容易受外界溫度環(huán)境影響。

磷酸鐵鋰電池在0℃環(huán)境下容量保持率約60-70%，零下10℃時(shí)衰減到40-55%，零下20℃只剩下20-40%。

而三元鋰電池在-20℃條件下依然能夠保持正常電池容量約70%-80%，這也是為何搭載磷酸鐵鋰電池車型在冬季續(xù)航縮水更嚴(yán)重的原因所在。

低溫除了對(duì)電池放電容量有影響之外，對(duì)充電速度的影響也非常大。低溫環(huán)境下使用大功率充電，會(huì)導(dǎo)致電池負(fù)極出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，不光會(huì)對(duì)電池造成不可逆的損傷，析出的鋰離子結(jié)晶還有可能刺穿正負(fù)極之間的隔膜，造成內(nèi)短路，引發(fā)電池事故。

目前，不少電池企業(yè)都在解決電池“怕冷”這一問(wèn)題上下大功夫。

三、15分鐘充電80%？鈉離子電池

鈉離子電池具有長(zhǎng)壽命、寬溫區(qū)、高倍率、高安全、低成本、可與鋰離子電池共線等優(yōu)點(diǎn)，正在成為是產(chǎn)業(yè)發(fā)展新動(dòng)力。鈉離子電池向下可以替代鉛酸電池，向上可作磷酸鐵鋰電池的補(bǔ)充。

2021年，電池頭部企業(yè)寧德時(shí)代走出“舒適圈”發(fā)布第一代鈉離子電池，可以在15分鐘充電80%，迅速催熱市場(chǎng)對(duì)鈉離子電池的熱情。

2023年一直被認(rèn)為是鈉離子電池的發(fā)展元年。今年2月，行業(yè)首臺(tái)鈉離子電池試驗(yàn)車搭載鈉電池裝車試驗(yàn)；3月，雅迪發(fā)布搭載鈉電池的兩輪車；4月，寧德時(shí)代宣布，其鈉離子電池落地奇瑞車型。

鈉離子電池的研究可以追溯到上個(gè)世紀(jì)80年代，幾乎與鋰離子電池同時(shí)起步，但受限于技術(shù)瓶頸其研究一度陷入停滯。直到2000年，硬碳負(fù)極材料的發(fā)現(xiàn)，才使得鈉離子電池的研發(fā)再次活躍。隨著鋰離子電池原材料價(jià)格升高，鈉離子電池價(jià)格低廉、無(wú)資源限制等優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，作為鋰離子電池替代技術(shù)路線獲得快速發(fā)展。

鈉離子電池應(yīng)用目前面臨最大問(wèn)題是能量密度低，鈉離子電池能量密度為300Wh/kg左右，磷酸鐵鋰電池能量密度在360Wh/kg-380Wh/kg，前者還有較大技術(shù)進(jìn)步空間。鈉離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在遠(yuǎn)沒(méi)有完成從“0到1”的突破，達(dá)到百吉瓦時(shí)的規(guī)模還需要時(shí)間。

鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化目前痛點(diǎn)很多，其中一大難題便是負(fù)極涂布，尤其是負(fù)極涂布的干燥技術(shù)。鈉離子電池負(fù)極目前多使用硬碳，其結(jié)構(gòu)晶距大、空隙多，涂布干燥非常困難，鋰離子電池負(fù)極遇到的所有問(wèn)題還將在鈉離子電池領(lǐng)域進(jìn)一步放大，如干燥不均等。

四、加熱讓電池“暖和點(diǎn)“好用，不簡(jiǎn)單

既然低溫是“病因”，那讓電池“暖和點(diǎn)“不就解決問(wèn)題嗎?其實(shí)在過(guò)去的幾年當(dāng)中，汽車工程師們花費(fèi)了大量的精力去思考如何讓電池在寒冷的冬天快速升溫。很多國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車都配備“電池加熱或預(yù)加熱”的功能。目前主要有外部加熱和自加熱兩種思路。

1）電池外部加熱

加熱膜和PTC您可以理解為是給電池包貼上了暖寶寶；而液冷循環(huán)系統(tǒng)更像是給動(dòng)力電池家里裝了一套暖氣。

PTC（熱敏電阻）加熱器，原理很像家里的電吹風(fēng)，高壓電加熱器通過(guò)給新能電動(dòng)汽車安裝PTC加熱器，可將熱量傳送給電動(dòng)汽車電池組，使其預(yù)熱，使其處于正常的工作溫度。

最難受的是，加熱膜和PTC這兩種方式對(duì)電池的加熱并不均勻。往往距離熱敏電阻絲較近的地方會(huì)升溫很快，而距離較遠(yuǎn)的地方則遲遲熱不起來(lái)。所以越來(lái)越多的車企都采用主動(dòng)液冷式電池加熱來(lái)控制電池包的溫度，通過(guò)加熱布置于動(dòng)力電池系統(tǒng)中的冷卻液，以達(dá)到合適的工作溫度。

2）電池自加熱

一般而言通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行充電或放電都可以達(dá)到自加熱的目的。但在低溫環(huán)境下，對(duì)電池充電存在析鋰的風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須嚴(yán)格控制充電電流的幅值，這就導(dǎo)致充電加熱法的加熱速度很慢。

相比之下，得益于放電過(guò)程中負(fù)極較高的電位，電池幾乎不存在析鋰的風(fēng)險(xiǎn)。因此，放電自加熱法更具應(yīng)用價(jià)值。內(nèi)部自加熱法電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，并且具有相當(dāng)高的加熱速度。但其加熱過(guò)程中大量能量消耗在外部負(fù)載上，未得到充分利用。

五、作為電池“血液”的電解液

在2023年中國(guó)汽車論壇上，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱表示，目前寧德時(shí)代已開發(fā)出全新的電解液材料：新的電解液在零下20°C的極寒條件下可以將電池充電效率提高50%，正常溫度下則可以提高43%。

電解液作為電池的“血液”起著關(guān)鍵的作用。在低溫條件下，電解液的粘度會(huì)增加，導(dǎo)致鋰離子的遷移速度降低，從而增加電池內(nèi)部的極化和阻抗，影響電池的充放電效率和容量。此外，低溫充電時(shí)，鋰離子在負(fù)極表面容易形成金屬鋰或鋰枝晶，破壞電池結(jié)構(gòu)和安全性。

電解液是鋰離子電池中負(fù)責(zé)傳遞鋰離子的介質(zhì)，由溶劑、鋰鹽和添加劑等組成。溶劑是鋰離子的載體，常用的有碳酸酯類溶劑，如EC、PC、DMC、DEC等；鋰鹽是鋰離子的來(lái)源，常用的有LiPF6、LiBF4、LiFSI等；添加劑是用來(lái)改善電解液性能的物質(zhì)，如VC、FEC等。

因此，優(yōu)化電解液配方是提高鋰離子電池低溫性能的有效途徑之一。選擇低粘度、高電導(dǎo)率、低熔點(diǎn)的溶劑和鋰鹽，添加低溫添加劑，降低電解液粘度和熔點(diǎn)，提高鋰離子活性和擴(kuò)散系數(shù)。添加成膜添加劑，促進(jìn)在正負(fù)極表面形成穩(wěn)定且導(dǎo)電的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），抑制金屬鋰或鋰枝晶的生成，保護(hù)電池結(jié)構(gòu)和安全性。

除了電解液之外，還有其他因素也會(huì)影響鋰離子電池的低溫性能，如正負(fù)極材料、隔膜材料等。因此，要全面提升鋰離子電池的低溫適應(yīng)能力，還需要從多方面進(jìn)行優(yōu)化和協(xié)調(diào)。例如，提高正負(fù)極材料的導(dǎo)電性和活性，增加隔膜材料的孔隙率和滲透性，采用自加熱技術(shù)等。

不過(guò)，即便如此，電動(dòng)汽車電池還是存在低溫續(xù)航縮水，每年 “過(guò)冬”都像是一場(chǎng)考驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)：

電池的工作性能和續(xù)航里程都還有待提高。對(duì)于我們消費(fèi)者而言，一臺(tái)在冬季不會(huì)因?yàn)榈蜏亍绑w虛畏寒”的電動(dòng)汽車才是剛需。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 鋰電池常見的幾種低溫加熱技術(shù).2021-06

[3] 又快又省的動(dòng)力電池自加熱技術(shù)真的十全十美嗎？2022-05

[4] 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù). 鋰離子電池低溫快速加熱方法研究進(jìn)展. 2022