锂电池有冷热高交会这款“能打”锂电池，冷热都不“怕”！|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

高交会这款“能打”锂电池，冷热都不“怕”！

深圳商报·读创客户端记者陈小慧张郗郡通讯员孟倩羽

11月15日，第25届中国国际高新技术成果交易会上，一款最新研发的锂离子电池正在经受上达零上80℃，下至零下70℃“冰火两重天”的极致考验。

受得了炎热、耐得住冰雪、充电快速、成本还低，这款超“能打”的锂电池由中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所先进储能技术中心研究团队历时10年研发，是我国首款具有宽温域、低成本、长寿命的电芯产品，上市后将有望打破未来新能源产业格局。

据团队成员介绍，这项新型锂离子电池技术目前已实现了储能、动力等多个应用领域的电芯产品的规模化量产，并已于今年6月在我国东北等地分布式储能领域开展应用示范。

宽温域电芯产品亮相第25届高交会

适应环境温差“横跨”150℃

从汽车到电子产品，锂离子电池早已渗透到人们生活，为衣食住行提供“动力”。《中国锂离子电池行业发展白皮书(2023年)》显示，2022年中国锂离子电池出货量已超过全球平均增速，我国锂离子电池产业在全球仍然居于领军者角色。

受电池材料限制，传统锂离子电池的工作温度在0~40℃，低于0℃后锂电池放电性能就会大幅下降。然而，我国幅员辽阔，气温随地域和季节变化大，北方地区冬季温度可以低至零下40℃以下，而南方地区夏季地表温度高达零上50℃，以上，传统锂离子电池无法适应这样极端的温度条件，就会造成一方面北部地区丰富的太阳能、风能等清洁能源难以直接并网供电；另一方面冬季电动车无法启动、智能手机自动关机，夏季电动车自燃等情况频发的棘手情况。

为此，该团队历时近10年，研发出了既抗冻又耐热的新型锂离子电池技术，可以同时兼顾低温与高温性能。

研究团队核心成员蒋春磊介绍，他们通过电池负极材料创新和电解液体系创新，直接扩大了电池的工作温度范围，其中最低工作温度达零下70℃、最高工作温度达零上80℃，实现了高寒酷暑的宽温域应用场景。

由深圳先进院碳中和所研究团队研发的新型锂离子电池正在高低温柜中接受“冰火两重天”的考验

研发关键负极材料

这么能“打”的新型锂电池，究竟“新”在何处？团队主要从负极材料和电解液体系上下功夫。

据了解，目前电池的正极材料相关技术已接近“天花板”，要提升性能，负极材料尚有发展空间。为此，团队研发了一种新型铝基复合负极材料，通过与商用锂离子电池正极材料匹配，针对不同应用场景研发相应电解液体系，成功开发出了新型铝基ǁǁ磷酸铁锂电芯、铝基ǁǁ锰酸锂电芯、铝基ǁǁ钴酸锂电芯和铝基ǁǁ三元电芯等超宽温域电池产品。

“我们开发的电池产品除了耐热抗冻的特性以外，还具有高安全、长续航、快充和低成本的优势。”蒋春磊表示。

在安全性能方面，常规锂电池随着不断使用，内部会产生锂枝晶，既影响充电能力，还可能刺穿隔膜，带来电池短路等隐患。而团队开发的新型铝基负极，在低温和过充条件下能有效缓解锂枝晶的产生，提高了安全性。

在续航性能上，得益于铝基负极材料高的理论容量，该电池能量密度较传统锂离子电池提升13%～25%，能做到长续航。此外，由于铝基复合负极优异的导电性能，产品还表现出不俗的快充性能，20分钟即可充满电，为半小时充电需求提供了解决方案。

在成本方面，基于铝基复合负极的性能优势，并结合开发的高性能电解液体系，低温电池产品可以摆脱对昂贵的纳米级正极材料的依赖，电池成本可以降低10%-30%。

研究人员正在进行电芯检查

应用场景“上天入地”

据深圳先进院转化处处长吴小丽介绍，基于新型电池技术，该团队的23项相关专利依托深圳先进院，以知识产权作价6500万元，成功实现了技术转移转化，并于2017年3月成立了深圳中科瑞能实业有限公司。相关研究成果形成了包括PCT专利，中国发明专利，美、欧、日、韩发明专利在内的180余项专利池，获得授权专利120余项。目前已在四川广元启动建设超宽温域电芯和PACK制造基地，占地200亩，首期投资规模12.7亿元。

经过团队多年的技术攻关，新型宽温域电池技术已成熟并进入市场推广阶段，目前已与电动自行车头部企业、新能源汽车头部企业、能源领域央企等建立了广泛且深入的合作。提供的批量电芯性能评估已满足使用需求。相关企业实测结果表明，使用针对低速电动车开发的铝基ǁ锰酸锂电芯产品在-50°C条件下放电容量保持率仍然超过60%；针对新能源汽车开发的铝基ǁ磷酸铁锂电芯产品可在-30锂电条件下高效充电，充电容量超过初始容量的91%，将有望解決电动汽车冬季续航缩水和低温启动困难的难题。

事实上，紧贴市场需求，是团队一直以来的坚持。“有些场景需要零下40℃也能正常充放电，而有些则在长循环方面提出了更高要求。围绕核心技术，结合实际情况，我们对产品不断作出调整。”团队表示。相关产品可以应用于光伏储能、家庭储能、通讯基站储能、轨道交通、航空航天、极地科考等领域，尤其适用于高寒地区及亚热带地区，显著扩大了电池的应用范围。

锂离子电池低温加热技术全面解读

温度对于锂离子电池有着重要的影响，过低的温度不仅会导致锂离子电池性能下降，无法正常工作，低温下充电还会导致负极析锂现象的发生，引起电池容量快速衰降，极端情况下甚至会引起正负极短路。因此为了让锂离子电池在较低的温度下正常工作，需要为锂离子电池配备加热装置，以提升锂离子电池的温度。

近日，北京理工大学的Shujie Wu（第一作者）和Hailong Li（通讯作者）等人对目前的锂离子电池预热方式进行了总结和展望，对比了不同种类的加热方式的优缺点。

从结构上讲，目前的锂离子电池的预热系统主要可以分为两类：1）外部加热；2）内部加热，其中外部加热又可以分为两种类型：一种是与冷却系统结合在一起；一种是直接采用电热器进行加热。内部加热也同样可以分为两类：1）自加热；2）电激发加热。

1.外部加热

外部加热法是目前应用最为广泛的一种加热方式，主要是通过外部的热源对电池进行加热，主要特点是结构比较简单，但是外部加热效率较低，因此消耗的电能较多，同时也容易在电池内部产生温度梯度，从而导致电池内部衰降速度的不一致，影响锂离子电池的使用寿命。

1.1加热冷却一体化设计

锂离子电池的温控系统不仅可以用来为锂离子电池降温，也可以实现为锂离子电池加热，根据温控系统的工作介质不同又可以分为空气、液体和相变材料三大类。

1.1.1空气预热

以空气为介质的温控系统由于结构简单，成本较低，因此广泛的应用在电动汽车领域，其基本工作原理如下图所示，外界的空气首先通过加热系统升温后在风扇的作用下进入到电池组之中，从而为电池加热。一般来说，空气预热的方式可以实现0.5-3℃/min的升温速度。气流的速度和温度会对空气预热的效果产生影响，相关研究表明提升气流速度要比提升空气温度的效果更加明显。同时提升空气温度也可能会在电池内部产生更为显著的温度梯度，从而对电池寿命产生负面的影响。目前该种预热方式已经被应用的本田的Insight车型和丰田的普锐斯车型上，但是这种方法目前仍然存在很多的不足，例如噪音问题，效率问题等。

1.1.2液体预热

相比于空气，液体具有更高的热导率和热容，因此导热效率更高，但是相比之下液体预热系统的复杂程度更高。根据加热的时候电池是否与导热液体接触，液体加热可以分为两大类：1）非接触式加热；2）浸入式加热。一个典型的液体预热系统结构如下图所示，目前非接触式液体预热系统已经应用在电动汽车之上，例如Volt采用了360V的加热器为液体加热，然后传递到电池之中，特斯拉也太用了液体预热的方式为电池组加热。

1.1.3相变材料预热

无论是空气预热，还是液体预热方式都需要在电池内增加较为复杂的结构，例如管道、泵和加热器等，会增加电池组的成本和设计难度。而相变材料为电池组的预热提供了一种更为简单的方法，这种方法主要是通过相变材料在相变过程中释放或吸收的热量实现为电池组加热和冷却的目的，但是相变材料的热导率通常比较低，不利于将热量快速传递到电池上，为了解决这一问题，人们提出了加入碳纳米管和金属框架等方法，但是目前这一方法还停留在实验室阶段，尚未得到实际应用。

1.2电热器预热

除了上述的预热方式外，我们还可以通过电热器为电池进行预热，电热器可以分为：1）Peltier效应加热器；2）电热片；3）电热套；4）电热膜。

1.2.1 Peltier效应加热器

这种加热器是通过半导体的Peltier效应在其两个表面分别形成热面和冷面，通过控制电流的方向可以控制冷热面的位置，从而实现为电池冷却或者加热的目的，而温度的高低则可以通过控制电流波幅的方式进行控制。通过这种方式可以实现0.6-1℃/min的升温速度，预热电池消耗的能量约占电池能量的2.5%。

1.2.2电热片预热

在采用电热片的加热方式中，电热片通常会被放置于电池的顶端或低端，电热片产生的热量直接传递到电池上，通常来说电热片会采用正温度系数材料（PTC）来制作，随着温度的升高，电阻增加，从而实现自主控温的目的。

研究表明采用PTC电热片为电池加热能够显著提升电池在低温下的放电电压，提升电池的放电容容量，在-38℃下，电池仍然可以放出90%以上的容量。这种方法在早期的电动汽车上曾得到应用，例如三菱汽车的i-MiEV和日产的LEAF车型上都曾采用该技术，但是这一方法需要较长时间为电池预热，同时还会在电池内部产生温度梯度，不利于电池寿命的提升。

1.2.3电热套

电热套最早由Chery Automobile公司的提出，该方法是采用热电阻制作一个保护套，套在电池的四周，通过电池组的BMS系统监控电池组的温度变化，从而控制为电池进行预热。该方法能够将电池组在10min中内预热到工作温度，并保持良好的温度均匀性。

1.2.4电热膜

电热膜一般是由金属箔与绝缘材料复合后制成，使用时粘贴在电池的表面，这种加热方式的好处是加热膜比较薄（1-2mm），因此占用电池空间比较少。相比于采用正温度系数材料的电热片预热方式，该方法能够在较低的能量消耗的情况下，实现更高的升温速率。

2.内部加热

相比于外部加热，内部加热有更快的加热速度和更高的加热速率，因此内部加热方式对锂离子电池进行预热也得到了广泛的关注，但是内部加热的控制机理相对比较复杂，并且一些内加热的方法还存在一定的安全隐患。内部加热方式可以分为两大类：自加热和电流激发，下表为一些常见的内加热方法的对比。

2.1自加热方法

从上表中可以看到自加热方法在升温速度上占有绝对的优势，这种方法是将一个Ni箔放入到电池内部，然后在电池外部引出极柱，通过外电路控制电池的加热。实验表明这种方法在将电池从-30℃加热到0℃时的升温速率可达60℃/min，而这一过程仅消耗5.5%的能量。

为了减少加热过程中电池内部的温度梯度，可以在电池内部加入多片Ni箔进行加热，研究表明在电池内部加入两片Ni箔能够将电池从-20℃到0℃的升温速率提升到96℃/min，能量消耗仅为2.9%，而单片Ni片在相同的条件下的加热速率仅能够达到60℃/min，且需要消耗4.1%的电能。由此可见多片Ni片的方式不但能够实现有效的降低电池内部的温度梯度，同时能够也能够有效的提升电池的加热速度。

2.2外部电流激发方法

这种方法可以分为直流电预热法、交流电预热法和脉冲预热等几种方法。

2.2.1直流电预热法

这种方法主要是直接为电池施加一个直流的放电电流，通过放电过程中电池产生的热量为电池加热。Qu等人研究表明在18650电池上采用这种方式进行预热，可以实现4.29℃/min的加热速度（8、9.5和11A放电）。但是为了满足快速升温的要求，这种方式需要采用大电流放电，此时电池的极化较大，因此会导致电池容量衰降速度的增加，研究表明在这样的预热方式下电池可能仅有81次左右的循环寿命。

2.2.2交流电预热法

交流电加热方法是在电池两端施加一个交流电，利用锂离子电池的内部阻抗实现为电池加热，由于交流电的方向始终在快速变化，从而避免了直流电大电流放电加热过程造成的电池容量的衰降，同时相比于直流电加热方式，交流方式的加热速度更快，同时效率也更高。研究表明，通过提高交流电的电流，降低频率能够有效的提升交流电加热的效率。

2.2.2脉冲电流预热法

脉冲电流预热法是通过不连续的大电流放电的方式，通过锂离子电池内部的欧姆阻抗产生的热量，实现对锂离子电池的预热。相比于空气预热的方式，脉冲放电预热的方式能够实现电池内部更为均匀的温度分布（温度梯度小于2℃），从而有效的减少因为电池内部温度梯度造成的容量衰降问题，但是采用这种方式为电池进行预热，需要在电池组内增加一个放电回路，从而导致电池成本的增加，因此目前这种预热方式还停留在实验室阶段，尚未有商业化的应用。

空气预热和液体预热方法由于结构比较简单，目前已经应用于电动汽车之中，其中空气预热方式由于较低的热导率和较高的空间需求，因此只是应用在了一些早期的低能量密度的电动汽车上，而液体预热方式因为较高的效率在电动汽车上的应用得到了越来越广泛的应用。近期发展起来的内部加热方式，凭借着超高的加热效率得到了广泛的关注，但是目前还尚未在电动汽车上应用。

本文主要参考以下文献，文章仅用于对相关科学作品的介绍和评论，以及课堂教学和科学研究，不得作为商业用途。如有任何版权问题，请随时与我们联系。

The state of the art on preheating lithium-ion batteries in cold weather, Journal of Energy Storage 27 (2020) 101059, Shujie Wu, Rui Xiong, Hailong Li, Victor Nian, Suxiao Ma

文/凭栏眺