電動汽車冬季續(xù)航短，跑不了多遠，“油門”踩下去沒勁兒，站在一個動力電池包技術人的角度看，我可以一臉真誠的說「這都是正常反應」，然后收獲一波№☆＆＠……好吧，即使這就是真相，但一個負責任的態(tài)度是，有沒有辦法做的更好。

1 先說為什么冬天續(xù)航就不行了

 

現(xiàn)在市面上的電動汽車，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。

 

還得先從原理說起。電動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”電化學儲能過程。

 

鋰電池放電過程

 

如上圖所示。在充電過程中，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驅動下向負極運動，到達負極后，與負極材料中的鋰離子結合，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極表面，鋰離子濃度變低，正極與負極之間形成離子濃度差。在濃差驅動下，正極材料中的鋰離子從材料內(nèi)部向正極表面運動，并沿著電解質，穿過隔膜，來到負極表面；進一步在電勢驅動作用下，穿過SEI膜，向負極材料深處擴散，與從外電路過來的電子相遇，局部顯示電中性滯留在負極材料內(nèi)部。放電過程則剛好相反，包含負載的回路閉合后，放電過程開始于電子從負極集流體流出，通過外電路到達正極；終于鋰離子嵌入正極材料，與外電路過來的電子結合。

 

負極石墨為層狀結構，鋰離子的嵌入和脫出的方式，在不同類型的鋰離子中沒有太大差異。不同正極材料，其晶格結構存在不同，充放電過程中的鋰離子擴散進出，過程略有不同。

 

電化學過程的阻力和動力

 

阻力，從前節(jié)文字描述的電化學過程可以看到，放電過程中，鋰離子想要從負極來到正極，需要在一些動力的驅動下克服一些阻力才能實現(xiàn)。這些阻力包括，從負極結構中擴散出來要克服負極SEI膜阻抗；沿著電解液擴散需要克服電解液傳導阻抗；穿越正負極之間的隔膜，需要克服隔膜阻抗；從電解液進入正極，需要克服正極SEI膜（這個膜的結構不是特別明顯）和材料內(nèi)部擴散阻抗。

 

那么鋰離子克服這些阻力的動力哪里來？一方面來自于正負極材料電勢差，正極材料與負極材料的勢能差越大，電池表現(xiàn)出來的開路電壓越高，電池存儲的能量也就越多，這個屬性也是電池能夠放電的基本動力；另一方面，電解液中不同位置離子濃度的不同，驅動離子從高濃度位置向低濃度位置運動，所謂濃差驅動。

 

低溫對電化學過程的影響

 

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

 

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

 

負極表面的SEI膜，是電解液與負極材料初次接觸時候形成的一層鈍化膜，它的存在保護了負極材料不會被電解液進一步腐蝕，同時又能允許鋰離子進入和脫出。當溫度降低，鋰離子通過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散能力降低。帶電離子的移動速率，宏觀上的表現(xiàn)就是電流值的大小?；叵胍幌码娏鞯亩x：單位時間流過導體任意截面的電量。聯(lián)系到電荷移動速率與電流的關系，低溫使得電解液通過電流的能力降低了。而對電荷移動的阻礙，則表現(xiàn)為回路阻抗。溫度下降，電解液阻抗上升。

 

整體上看，在鋰電池這個體系里，電荷移動的不順暢，既表現(xiàn)為電勢降低，同時又表現(xiàn)為阻抗升高。電勢或者說電池的開路電壓，在一定溫度下，與電池內(nèi)部容納的能量有明確的對應關系，那么電勢下降顯示了電池內(nèi)電能的減少。

 

到這里，用一句話表述為什么低溫下，電動汽車的續(xù)航里程少了？宏觀上，因為低溫使得鋰電池的可用容量變小了，同時內(nèi)阻變大了；微觀上，低溫一方面降低了鋰電池活性物質放電的勢能，另一方面提高了系統(tǒng)放電阻力。可用電量減小，行駛里程必然會減少，而電池內(nèi)阻的增加，又將一部分可用的電能直接轉化成歐姆熱浪費掉了。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，低溫給電池帶來的種種變化。怎樣解決呢？還是得從溫度入手。

 

一個，可以稱為“恒溫車庫”方案吧。要求車輛長期停放的環(huán)境溫度不能過低，因為經(jīng)歷一宿十來個小時，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。不過這只是一個不是建議的建議……

 

另一個切實可行的方法是預熱，就是起動之前，先給電池加熱。當然，你的車需要具備電池加熱功能才行。有數(shù)據(jù)顯示，一個預熱措施可以帶來如下水準的里程提升：環(huán)境溫度零下20℃，無預熱，直接起動行駛，續(xù)駛里程是常溫里程的60%左右；采用預熱方案，續(xù)駛里程提高到常溫里程的90%。

 

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

 

如果恒溫車庫或者預熱兩個方式都做不到，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間，讓電池小電流放電行駛的同時給自己加熱。當電池溫度超過15℃以后，就可以正常行駛了。

 

如果沒有任何保溫、預熱的條件，又家在東北，建議冬天就別開電動汽車了，眼前實在沒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，到時候再考慮不遲。

 

3 鋰電池低溫充放電的危害

 

低溫工作對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，電解液導電能力變差，如果給電池施加大負載，鋰離子被強行拉出負極層狀結構，另一側又有大量的鋰離子需要快速嵌入正極材料。這會造成對正負極材料結構的損壞，進而使得一部分可用容量永久損失。

 

低溫充電的危害更大，是引起負極鋰金屬枝晶生長的一大原因。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)部的移動能力變差，出現(xiàn)大量離子堆積到負極表面等待嵌入的情形。離子過多，一部分來不及嵌入就以單質的形式沉積在負極表面。一波一波的離子堆積到一起，鋰枝晶逐漸生長，可能刺破電池隔膜，造成正負極短路。有研究表明，經(jīng)歷過低溫充電的電池，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的鋰金屬沉積，更活潑，更容易發(fā)生劇烈反應。

 

4 低溫鋰電池技術

 

天然適合低溫條件工作的電極材質，當數(shù)鈦酸鋰，可以實現(xiàn)零下40攝氏度正常工作。鈦酸鋰做負極材料，一方面它沒有SEI膜，鋰離子嵌入通道是三維結構，使得其低溫下離子運動的困難程度不會明顯升高；另一方面，離子的嵌入和脫出不會帶來體積變化所謂零應變材料，這使得它在低溫條件下結構不容易受到破壞。但鈦酸鋰材料有他繞不開的缺陷，能量密度低，只有175mAh/g。

 

除了尋找天然適應低溫的材料以外，另一個技術路線是利用輔助材料，提高現(xiàn)有正負極材料和電解質的耐低溫性能。比如，在電解質中添加助劑。有的助劑可以提高負極與電解質之間的界面穩(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電能力，進而提高低溫工作能力。低溫電池技術，還在發(fā)展過程中，沒有達到大規(guī)模商用的水平。瓶頸主要在于穩(wěn)定性問題和成本問題。

 

 

最后，電動汽車的續(xù)航里程，動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完全忽略。一個是車輛運行工況對電能消耗率的影響，通俗講就是開車的手法。頻繁加減速，是最耗電的方式。保持中高檔次的勻速運行，是最省力省電的開法。有車主抱怨承諾的續(xù)航里程虛高，實際差的太遠。暫且不提商家誠信度的影響，只從技術角度考慮，如果廠家按照一個60km/h勻速標定出來的續(xù)航，跟實車在車流中走走停停，二者的差距必定會很大。另一個方面就是制動能量回饋，能量回饋是電動汽車的一個亮點，但也不是所有情形的制動能量都能得到回收，如果簡單講，需要車輛速度不是太高或者太低，制動不能太緊急。