電動(dòng)汽車冬季續(xù)航短，跑不了多遠(yuǎn)，“油門”踩下去沒(méi)勁兒，站在一個(gè)動(dòng)力電池包技術(shù)人的角度看，我可以一臉真誠(chéng)的說(shuō)「這都是正常反應(yīng)」，然后收獲一波№☆＆＠……好吧，即使這就是真相，但一個(gè)負(fù)責(zé)任的態(tài)度是，有沒(méi)有辦法做的更好。

1 先說(shuō)為什么冬天續(xù)航就不行了

 

現(xiàn)在市面上的電動(dòng)汽車，絕大部分都是鋰電池的，那么就先扒一扒，冬天的鋰電池怎么了。

 

還得先從原理說(shuō)起。電動(dòng)汽車上使用的主要鋰電池類型，磷酸鐵鋰、三元鋰和錳酸鋰三種主流的鋰電池，負(fù)極石墨材料為主。他們的基本反映原理是近似的，都是“搖椅式”電化學(xué)儲(chǔ)能過(guò)程。

 

鋰電池放電過(guò)程

 

如上圖所示。在充電過(guò)程中，由于電池外加端電壓的作用，正極集流體附近的電子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，到達(dá)負(fù)極后，與負(fù)極材料中的鋰離子結(jié)合，形成局部電中性存放在石墨間隙中；消耗了部分鋰離子的負(fù)極表面，鋰離子濃度變低，正極與負(fù)極之間形成離子濃度差。在濃差驅(qū)動(dòng)下，正極材料中的鋰離子從材料內(nèi)部向正極表面運(yùn)動(dòng)，并沿著電解質(zhì)，穿過(guò)隔膜，來(lái)到負(fù)極表面；進(jìn)一步在電勢(shì)驅(qū)動(dòng)作用下，穿過(guò)SEI膜，向負(fù)極材料深處擴(kuò)散，與從外電路過(guò)來(lái)的電子相遇，局部顯示電中性滯留在負(fù)極材料內(nèi)部。放電過(guò)程則剛好相反，包含負(fù)載的回路閉合后，放電過(guò)程開(kāi)始于電子從負(fù)極集流體流出，通過(guò)外電路到達(dá)正極；終于鋰離子嵌入正極材料，與外電路過(guò)來(lái)的電子結(jié)合。

 

負(fù)極石墨為層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子的嵌入和脫出的方式，在不同類型的鋰離子中沒(méi)有太大差異。不同正極材料，其晶格結(jié)構(gòu)存在不同，充放電過(guò)程中的鋰離子擴(kuò)散進(jìn)出，過(guò)程略有不同。

 

電化學(xué)過(guò)程的阻力和動(dòng)力

 

阻力，從前節(jié)文字描述的電化學(xué)過(guò)程可以看到，放電過(guò)程中，鋰離子想要從負(fù)極來(lái)到正極，需要在一些動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下克服一些阻力才能實(shí)現(xiàn)。這些阻力包括，從負(fù)極結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散出來(lái)要克服負(fù)極SEI膜阻抗；沿著電解液擴(kuò)散需要克服電解液傳導(dǎo)阻抗；穿越正負(fù)極之間的隔膜，需要克服隔膜阻抗；從電解液進(jìn)入正極，需要克服正極SEI膜（這個(gè)膜的結(jié)構(gòu)不是特別明顯）和材料內(nèi)部擴(kuò)散阻抗。

 

那么鋰離子克服這些阻力的動(dòng)力哪里來(lái)？一方面來(lái)自于正負(fù)極材料電勢(shì)差，正極材料與負(fù)極材料的勢(shì)能差越大，電池表現(xiàn)出來(lái)的開(kāi)路電壓越高，電池存儲(chǔ)的能量也就越多，這個(gè)屬性也是電池能夠放電的基本動(dòng)力；另一方面，電解液中不同位置離子濃度的不同，驅(qū)動(dòng)離子從高濃度位置向低濃度位置運(yùn)動(dòng)，所謂濃差驅(qū)動(dòng)。

 

 

低溫對(duì)電化學(xué)過(guò)程的影響

 

這樣看來(lái)，只要我們明確，低溫是怎樣影響這些阻力和動(dòng)力的，就能理解低溫對(duì)鋰電池性能的影響是怎么起作用的。

 

正極材料活性物質(zhì)，溫度越低，其活性越差，對(duì)外表現(xiàn)出電勢(shì)降低；正極鋰離子在材料內(nèi)部通道中的擴(kuò)散越困難，表現(xiàn)出阻抗增加；

 

負(fù)極表面的SEI膜，是電解液與負(fù)極材料初次接觸時(shí)候形成的一層鈍化膜，它的存在保護(hù)了負(fù)極材料不會(huì)被電解液進(jìn)一步腐蝕，同時(shí)又能允許鋰離子進(jìn)入和脫出。當(dāng)溫度降低，鋰離子通過(guò)SEI膜也變得困難，表現(xiàn)為阻抗增加；

 

電解液的活性，在低溫下同樣變差，離子在電解液中的擴(kuò)散能力降低。帶電離子的移動(dòng)速率，宏觀上的表現(xiàn)就是電流值的大小?；叵胍幌码娏鞯亩x：?jiǎn)挝粫r(shí)間流過(guò)導(dǎo)體任意截面的電量。聯(lián)系到電荷移動(dòng)速率與電流的關(guān)系，低溫使得電解液通過(guò)電流的能力降低了。而對(duì)電荷移動(dòng)的阻礙，則表現(xiàn)為回路阻抗。溫度下降，電解液阻抗上升。

 

整體上看，在鋰電池這個(gè)體系里，電荷移動(dòng)的不順暢，既表現(xiàn)為電勢(shì)降低，同時(shí)又表現(xiàn)為阻抗升高。電勢(shì)或者說(shuō)電池的開(kāi)路電壓，在一定溫度下，與電池內(nèi)部容納的能量有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么電勢(shì)下降顯示了電池內(nèi)電能的減少。

 

到這里，用一句話表述為什么低溫下，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程少了？宏觀上，因?yàn)榈蜏厥沟娩囯姵氐目捎萌萘孔冃×?，同時(shí)內(nèi)阻變大了；微觀上，低溫一方面降低了鋰電池活性物質(zhì)放電的勢(shì)能，另一方面提高了系統(tǒng)放電阻力?？捎秒娏繙p小，行駛里程必然會(huì)減少，而電池內(nèi)阻的增加，又將一部分可用的電能直接轉(zhuǎn)化成歐姆熱浪費(fèi)掉了。兩方面因素綜合到一起，續(xù)駛里程必然明顯減小。

 

 

2 是否有辦法提高冬季電動(dòng)汽車的續(xù)航里程？

 

從前面的內(nèi)容可以了解到，低溫給電池帶來(lái)的種種變化。怎樣解決呢？還是得從溫度入手。

 

一個(gè)，可以稱為“恒溫車庫(kù)”方案吧。要求車輛長(zhǎng)期停放的環(huán)境溫度不能過(guò)低，因?yàn)榻?jīng)歷一宿十來(lái)個(gè)小時(shí)，電池內(nèi)部溫度基本可以與環(huán)境溫度持平。如果放在冬天的戶外，續(xù)航肯定受影響。不過(guò)這只是一個(gè)不是建議的建議……

 

另一個(gè)切實(shí)可行的方法是預(yù)熱，就是起動(dòng)之前，先給電池加熱。當(dāng)然，你的車需要具備電池加熱功能才行。有數(shù)據(jù)顯示，一個(gè)預(yù)熱措施可以帶來(lái)如下水準(zhǔn)的里程提升：環(huán)境溫度零下20℃，無(wú)預(yù)熱，直接起動(dòng)行駛，續(xù)駛里程是常溫里程的60%左右；采用預(yù)熱方案，續(xù)駛里程提高到常溫里程的90%。

 

這里的預(yù)熱，專門指在汽車起動(dòng)之前，利用動(dòng)力電池以外的其他電源給電池包加熱，溫度達(dá)到15℃以后，車輛可以進(jìn)入行駛狀態(tài)。如果把動(dòng)力電池自身作為電源，微小電流自加熱，除了消耗電量以外，還會(huì)帶來(lái)對(duì)電池本身壽命的傷害，是一種不太合理的加熱方式。

 

如果恒溫車庫(kù)或者預(yù)熱兩個(gè)方式都做不到，而你所在地區(qū)的溫度也只是在0℃左右，那么退而求其次，你可以采取先小功率低速行駛一段時(shí)間，讓電池小電流放電行駛的同時(shí)給自己加熱。當(dāng)電池溫度超過(guò)15℃以后，就可以正常行駛了。

 

如果沒(méi)有任何保溫、預(yù)熱的條件，又家在東北，建議冬天就別開(kāi)電動(dòng)汽車了，眼前實(shí)在沒(méi)有太好的辦法提供給你。等真正的低溫電池出現(xiàn)了，零下40℃也能直接抗住了，到時(shí)候再考慮不遲。

 

 

3 鋰電池低溫充放電的危害

 

低溫工作對(duì)于鋰電池的傷害非常大，不到不得已的情形，最好不要低溫運(yùn)行，包括放電和充電。即使你不在意續(xù)駛里程。

 

低溫放電，低溫下的鋰電池，電解液導(dǎo)電能力變差，如果給電池施加大負(fù)載，鋰離子被強(qiáng)行拉出負(fù)極層狀結(jié)構(gòu)，另一側(cè)又有大量的鋰離子需要快速嵌入正極材料。這會(huì)造成對(duì)正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)的損壞，進(jìn)而使得一部分可用容量永久損失。

 

低溫充電的危害更大，是引起負(fù)極鋰金屬枝晶生長(zhǎng)的一大原因。低溫下給鋰電池按照正常條件充電，由于鋰離子在電池內(nèi)部的移動(dòng)能力變差，出現(xiàn)大量離子堆積到負(fù)極表面等待嵌入的情形。離子過(guò)多，一部分來(lái)不及嵌入就以單質(zhì)的形式沉積在負(fù)極表面。一波一波的離子堆積到一起，鋰枝晶逐漸生長(zhǎng)，可能刺破電池隔膜，造成正負(fù)極短路。有研究表明，經(jīng)歷過(guò)低溫充電的電池，發(fā)生熱失控的幾率增大數(shù)倍，其主要影響因素就是低溫充電積累下來(lái)的鋰金屬沉積，更活潑，更容易發(fā)生劇烈反應(yīng)。

 

4 低溫鋰電池技術(shù)

 

天然適合低溫條件工作的電極材質(zhì)，當(dāng)數(shù)鈦酸鋰，可以實(shí)現(xiàn)零下40攝氏度正常工作。鈦酸鋰做負(fù)極材料，一方面它沒(méi)有SEI膜，鋰離子嵌入通道是三維結(jié)構(gòu)，使得其低溫下離子運(yùn)動(dòng)的困難程度不會(huì)明顯升高；另一方面，離子的嵌入和脫出不會(huì)帶來(lái)體積變化所謂零應(yīng)變材料，這使得它在低溫條件下結(jié)構(gòu)不容易受到破壞。但鈦酸鋰材料有他繞不開(kāi)的缺陷，能量密度低，只有175mAh/g。

 

除了尋找天然適應(yīng)低溫的材料以外，另一個(gè)技術(shù)路線是利用輔助材料，提高現(xiàn)有正負(fù)極材料和電解質(zhì)的耐低溫性能。比如，在電解質(zhì)中添加助劑。有的助劑可以提高負(fù)極與電解質(zhì)之間的界面穩(wěn)定性，以提高低溫耐受能力；有的助劑可以提高電解液的低溫導(dǎo)電能力，進(jìn)而提高低溫工作能力。低溫電池技術(shù)，還在發(fā)展過(guò)程中，沒(méi)有達(dá)到大規(guī)模商用的水平。瓶頸主要在于穩(wěn)定性問(wèn)題和成本問(wèn)題。

 

 

最后，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，動(dòng)力電池的可用電量是決定性因素，但其他的一些方面也不應(yīng)完全忽略。一個(gè)是車輛運(yùn)行工況對(duì)電能消耗率的影響，通俗講就是開(kāi)車的手法。頻繁加減速，是最耗電的方式。保持中高檔次的勻速運(yùn)行，是最省力省電的開(kāi)法。有車主抱怨承諾的續(xù)航里程虛高，實(shí)際差的太遠(yuǎn)。暫且不提商家誠(chéng)信度的影響，只從技術(shù)角度考慮，如果廠家按照一個(gè)60km/h勻速標(biāo)定出來(lái)的續(xù)航，跟實(shí)車在車流中走走停停，二者的差距必定會(huì)很大。另一個(gè)方面就是制動(dòng)能量回饋，能量回饋是電動(dòng)汽車的一個(gè)亮點(diǎn)，但也不是所有情形的制動(dòng)能量都能得到回收，如果簡(jiǎn)單講，需要車輛速度不是太高或者太低，制動(dòng)不能太緊急。