鎳鈷錳酸鋰（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）三元正極材料自發(fā)現(xiàn)以來引起了研究者的廣泛關(guān)注。目前，鎳鈷錳酸鋰正極材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用和研究，但其在低溫性能和倍率性能上的表現(xiàn)不盡人意，幾乎只能在室溫環(huán)境中工作，不能滿足電池在極端溫度和快速充放電條件下工作的需求。

鑒于此，世界各國科研機(jī)構(gòu)都在積極探索改善極端條件下鋰離子電池性能的新材料和新方法。近期，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室敏感器件部15級碩士生呂丁丁在副研究員王磊的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)合成了一種鋰快離子導(dǎo)體包覆鎳鈷錳酸鋰的復(fù)合正極材料。該復(fù)合材料顯示出優(yōu)越的低溫性能和倍率性能：在-20℃溫度條件下，保持127.7mAh/g的可逆容量，該容量遠(yuǎn)優(yōu)于鎳鈷錳酸鋰材料86.4mAh/g的容量，并且優(yōu)于目前報(bào)道改性后鎳鈷錳酸鋰材料的最高容量 (106mA h/g)；在1C的大電流密度下，循環(huán)100圈之后，保持具有141.7 mA h/g的容量。

　　研究發(fā)現(xiàn)，鋰快離子導(dǎo)體均勻地包覆在鎳鈷錳酸鋰表面，解決了電池在高電流密度循環(huán)過程中，電解液中HF侵蝕正極材料，造成材料性能快速衰減的難題。鋰快離子導(dǎo)體玻璃具有優(yōu)異的鋰離子電導(dǎo)率，有效改善了鋰離子在正極材料的擴(kuò)散速率，為改善鋰離子電池低溫性能提供了新思路。耐低溫鋰電池正極材料能夠滿足人們在特殊環(huán)境條件下對儲(chǔ)能和動(dòng)力電池的需求，具有極高的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

　　該研究成果發(fā)表在《電化學(xué)學(xué)報(bào)》(Electro chimica Acta)上。相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院“西部之光”項(xiàng)目等的資助。（來源新疆理化技術(shù)研究所）

鋰離子電池在低溫下會(huì)出現(xiàn)很多的問題，例如充放電容量低、衰減快、循環(huán)壽命低、倍率性能差、析出鋰金屬明顯、脫嵌鋰離子不平衡等。制約鋰離子低溫性能的原因不僅在于正極材料一方面，還存在以下幾方面原因：

(1) 低溫下電解液黏度增大，甚至部分凝固，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率低；

(2) 低溫下電解液與負(fù)極、隔膜之間相容性變差；

(3) 低溫下負(fù)極析鋰嚴(yán)重，且析出的金屬鋰與電解液反應(yīng)，其產(chǎn)物沉積導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度增加；

(4) 低溫下鋰離子在活性物質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)降低，電荷轉(zhuǎn)移阻抗(Rct)顯著增大。

    影響電池低溫性能的原因有很多，但是對于絕大部分體系而言，低溫時(shí)電荷傳遞速率和鋰離子擴(kuò)散速率的下降，是導(dǎo)致鋰離子電池低溫性能欠佳的主要原因，并且在相同條件下Rct比RSEI 對溫度更為敏感。另外，電荷轉(zhuǎn)移和Li+在活性物質(zhì)中的擴(kuò)散對低溫性能的影響程度，與體系有關(guān)。一般而言，正極Li+擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，而負(fù)極受Rct 影響更大。 

    老高鋰電提醒大家冬天盡可能把心愛的鋰電池提回家，不要在車棚或者樓下凍的，這樣對你的電池壽命和續(xù)航有很大的影響。

那么鋰電池常用的NCM三元正極材料，其低溫特性是怎樣的呢？鎳鈷錳三元正極材料型號有很多，包括NCM111/NCM523/NCM622/NCM721/NCM811等，他們均是層狀結(jié)構(gòu)。層狀結(jié)構(gòu)，既擁有一維鋰離子擴(kuò)散通道所不可比擬的倍率性能，又擁有三維通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，最早商用的正極材料就是層狀的鈷酸鋰，此后逐漸摻雜改性進(jìn)化為現(xiàn)在常用的NCM三元材料。

謝曉華等以LiCoO2/MCMB 為研究對象，測試了其低溫充放電特性。結(jié)果顯示，隨著溫度的降低，其放電平臺(tái)由3.762 V (0 ℃)下降到3.207 V(–30 ℃)；其電池總?cè)萘恳灿?/span>78.98 mA·h (0 ℃)銳減到68.55 mA·h (–30 ℃)。類似現(xiàn)象也見于陳繼濤等的研究報(bào)道。

三元材料以其高容量、低成本深受青睞，對其低溫性能的研究亦方興未艾。Smart 等研究了三元富鋰材料(Li1+x(Co1/3Ni1/3Mn1/3)1-xO2)在低溫電解質(zhì)下的電化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)，不同組成的低溫電解質(zhì)，其容量均隨溫度降低出現(xiàn)衰減，且溫度越低，這種容量衰減的趨勢越嚴(yán)重。例如對1.0 mol/L LiPF6/EC: EMC(20:80)而言，在0.2C，–40 ℃時(shí)放電容量能夠達(dá)到室溫的52%，而–50 ℃時(shí)僅為室溫的28%。

不僅電池正極材料性能對鋰電池低溫性能影響大，負(fù)極材料本征影響也很重大，同時(shí)研究與之相匹配的低溫用電解液也很重要。總之，為保證鋰離子電池的低溫性能，需要做好以下幾點(diǎn)：

(1) 形成薄而致密的SEI 膜；

(2) 保證Li+在活性物質(zhì)中具有較大的擴(kuò)散系數(shù)；

(3) 電解液在低溫下具有高的離子電導(dǎo)率。

鋰電池重量輕體積小

鋰電池電動(dòng)車目前品牌多樣化，在動(dòng)力性能方面和鉛酸電池(簡易款電動(dòng)自行車)差不多，充電6~8小時(shí)，根據(jù)電池容量不同可跑30~45公里，重量只有鉛酸電池的1/5左右，而且目前一般鋰電池保2年，實(shí)際能用3到5年，最高紀(jì)錄用上9年。鉛酸蓄電池保1年，最高能用2年。

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鋰電池具有免激活特性

鋰電池很容易激活，只要經(jīng)過3-5次正常的充放電循環(huán)就可激活電池，恢復(fù)正常容量。由于鋰電池本身的特性，決定了它幾乎沒有記憶效應(yīng) 。因此用戶新鋰電池在激活過程中，是不需要特別的方法和設(shè)備的。

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鋰電池帶記憶效應(yīng)

在給鉛酸蓄電池，鎳電池充電時(shí)，一直都擔(dān)心電池發(fā)生記憶效應(yīng)，而電動(dòng)自行車鋰電池不帶記憶效應(yīng)，可以放心充電而不用擔(dān)心電池之前的充電用電情況。

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鋰電池循環(huán)壽命長

鋰離子電池以1C倍率進(jìn)行充、放電，其循環(huán)壽命大于等于1000次，第1000次時(shí)的電容量，大于標(biāo)稱銅梁70%。而鉛酸電池即使以0.5放電，以0.15C以充電，其循環(huán)壽命小于等于350次，電容量小于等于60%。

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工作溫度范圍寬

電動(dòng)自行車鋰離子電池可在-25度到55度范圍內(nèi)工作，其電容量可達(dá)標(biāo)稱容量的70%，而鉛酸電池只能在10度到40度范圍內(nèi)工作，在-25度時(shí)不能正常工作。

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鋰電池充電時(shí)間短，綠色環(huán)保

由于電動(dòng)自行車鋰離子電池具有可大電流充電的特性，因此充電時(shí)間只要4-5小時(shí)，而鉛酸電池則需要8至10小時(shí)。無對環(huán)境有害的重金屬鉛，屬于高環(huán)保型的產(chǎn)品。