針對電動化全面滲透，中國科學技術協會主席萬鋼院士在2023中國電動汽車百人會論壇上明確指出，我們仍面臨著全面市場化發展不夠均勻、不夠充分的問題。

中國科學技術協會主席萬鋼院士（來源：中國電動汽車百人會論壇）

于動力電池而言，電池性能跨越全氣候、全場景門檻已成為邁向全面電動化市場道路上亟須解決的難題。萬鋼院士指出，國內電動化滲透集中在中部、南部等氣候適宜地區。北方因氣候極寒、動力電池放電性能嚴重受影響，滲透率遠不及中部、南部。這正是由于低溫所導致的續航打折仍在制約人們對電動車的選擇。

遠景動力執行董事、中國區總裁趙衛軍在百人會論壇演講中也指出，電池的低溫性能解決后，能實現國內30%區域的電動化市場提升。

01 電動汽車低溫續航下降的原因

動力電池低溫衰減。鋰離子電池最適宜的工作溫度是15~30℃，40℃以上要主動放熱，0℃以下要加溫。從鋰電池機理上看，造成鋰離子電池低溫性能差的主要原因是隨著環境溫度的降低，電解液及電極界面膜對鋰離子轉移阻抗增大，此時Li⁺的遷移和負極碳隙的嵌入將變得十分困難，充放電性能因此變差，極端低溫情況甚至會出現電解液凍結、電池無法放電等現象。

空調加熱系統的使用。電動汽車熱空調采用PTC電加熱器，其特點是功率大、制熱速度快，主流的暖風空調功率在3~6kW，暖風1h需耗費3~6度電。以特斯拉Model Y為例，其百公里耗電大概13度電（kWh）左右，加熱系統的額外耗電及其綜合熱管理損失，使汽車續航能力下降幅度可達27%左右，再加上低溫衰減的影響，實際的續航里程衰減可能要達到40%~50%。

動力電池容量與溫度關系（來源：李剛，《電動汽車低溫技術的應用與分析》）

02 如何擺脫低溫“電動爹”

動力電池預加熱研究

研究表明，將動力電池加熱到適宜的工作溫度范圍后，其性能基本能夠完全恢復。根據對動力電池施加的熱源位置，現有的低溫加熱策略主要分為電池外部加熱和電池內部加熱兩大類。

外部加熱方法是較早應用于鋰離子電池預熱的方法，且相對容易實現。在外部加熱策略中，加熱功率從外部熱源傳輸到鋰離子電池，通常采用電阻絲并通過空氣、液體等介質對電池進行外部加熱，或者利用加熱板、加熱薄膜等加熱元件直接與鋰離子電池表面連接，進行加熱。

外部加熱方法比較（來源：陶政等，《鋰離子電池低溫預熱方法研究綜述》）

對于電池內部加熱策略的研究，一般分為使用電流加熱電池和電池內部安裝加熱元件（自加熱）兩種主要的策略。采用電流加熱的系統在整個加熱過程中引起的電池溫差通常較小，且相比于外部加熱，消除了由于熱傳導而產生的大量熱量損失，避免了加熱設備中的熱量積累，加熱效率更高，電池老化程度更低。對于電池自加熱，該加熱策略可以對電池內部進行高效地加熱，溫升速率也遠大于電流加熱策略。但電池本身的結構發生了改變，且在放電初期會造成較大的溫差。

內部加熱方法比較（來源：陶政等，《鋰離子電池低溫預熱方法研究綜述》）

動力電池組分優化

動力電池主要由電解液、正極材料、負極材料、隔膜等部分組成，探索電池低溫特性變化的具體原因，需對電池主要組成部分低溫下的性能變化進行研究及分析。

目前，關于通過改善優化正負極材料提高電池低溫性能的研究報道不多，且基本上都需要優化電解質來進行匹配，此領域還需要更多的工作和更久的發展。

對于磷酸鐵鋰正極材料，提高其低溫下活性顆粒的電導，最常見的手段是通過包覆和摻雜，如進行碳、金屬氧化物或聚合物包覆，以及金屬離子摻雜等。此外，在磷酸鐵鋰的一次顆粒間構建三維導電網絡，可顯著提升材料性能。研究人員將碳包覆的磷酸鐵鋰進一步通過碳納米管（CNT）“導線”相互連接，有效的導電網絡和Li⁺在納米磷酸鐵鋰顆粒間較短的傳播路徑使其獲得了優良的低溫性能（室溫下500次循環容量保持率98.5％，-25℃放電時容量保持率71.4％）。

石墨是應用最普遍的負極材料。在低溫下，石墨層間鋰離子擴散速率變慢，石墨負極的鋰離子嵌入/脫出的動力學過程變緩慢；動力學緩慢帶來的過電位使得石墨嵌鋰的實際電位接近甚至低于鋰金屬沉積電位，從而造成析鋰。

在負極側通過結構調控來降低鋰離子傳輸過程中的電荷轉移電阻，可以提高鋰離子在石墨材料內部的擴散速率。所采用的手段主要分為兩種：一種是石墨材料本身的結構調控，如增大石墨層間距、多孔石墨等；第二種是與高導電高導鋰離子材料，如包覆金屬材料等進行復合。通過上述手段可以降低鋰離子在電極材料內部的擴散電阻以及電極材料表面的電荷轉移電阻，進而提高鋰離子電池的低溫性能。

電解液對鋰離子電池的低溫特性有明顯的影響，當溫度從室溫降到低溫時，電解液電導率下降、阻抗增大，而Li⁺去溶劑化是導致阻抗增加的重要原因。電解液的組成包括鋰鹽、溶劑和功能性添加劑，其中溶劑和鋰鹽很大程度決定了電解液的電導率，而添加劑可以改變鋰鹽的溶劑化狀態。

（1）選擇容易解離的鋰鹽

鋰鹽是調節電池低溫性能的關鍵因素，常用的鋰鹽有以下六種，性質如下表所示。

常用鋰鹽的性質對比（來源：封邁等，《鋰離子電池低溫電解液的研究進展》）

其中LiODFB同時具有LiBF₄和LiBOB的優點，具有LiBOB的SEI形成特性，同時具有改進的溶解度和離子解離特性。LiODFB的分解溫度為240℃，高溫下不與溶劑發生反應，能夠有效地改善電池的耐高溫性能。除此之外，LiODFB在形成穩定SEI膜的同時還沒有HF生成，可以抑制枝晶的生長。將LiODFB與LiBF₄一起使用，可以最大限度地發揮這兩種化合物在低溫下的優勢。經過電池測試，發現電解液與石墨||LiFePO₄兼容，并且在-20℃時，容量遠高于二者單獨使用時的電解液。

（2）新型溶劑與溶劑化結構

目前的電解質溶液中，存在固態電解質界面層SEI，其阻抗大，使電池的低溫性能下降。結果表明，在石墨表面上形成的SEI對其低溫特性的影響較大。基于此，引入異惡唑（IZ）作為新型共溶劑，以改善鋰/石墨半電池的低溫性能。與1.2mol/L LiPF₆ EC/EMC（STD）電解液相比，含FEC或EC的IZ基電解液的低溫性能有所改善。特別是1mol/L LiDFOB-FEC/IZ電解液，在-10℃具有出色的循環性能。IZ共溶劑的使用為提高鋰/石墨半電池低溫性能提高了新的思路。

此外，改變電解液的成分也會改變鋰離子的溶劑化結構，從而影響去溶劑化過程。優化陽離子溶劑化結構可以改變Li⁺的溶劑化能力，促進Li的插層或沉積，從而改善其反應動力學，在低溫下實現良好的倍率性能。人們普遍認為鋰離子電池不能在高速率或零下溫度下充電的原因是當溶劑化的Li⁺試圖進入陽極的石墨烯結構時，其溶劑化必須被剝離，Li⁺嵌入石墨烯結構過程中的這種高能過渡態是由兩個子過程的復合效應造成的，即Li⁺溶劑化的破裂和Li⁺在石墨烯中的擴散。基于此，研究人員開發了一種僅由氟苯（FB）、PC和鋰鹽構成的PC基電解液，通過非溶劑化相互作用來調節Li⁺-PC相互作用的強度，使其在較寬的溫度范圍內實現鋰離子電池的循環。使用LiFSI-5PC-7FB電解液的NCM811||石墨電池在寬溫范圍內表現出了比較優異的放電能力，證實了Li⁺去溶劑化是控制低溫下電池性能的決定性因素。

（3）添加劑改性電解液

添加劑可以顯著的改善電池性能。經研究發現，在電解液中廣泛應用的為成膜添加劑，可以影響電極-電解質的界面，有助于形成具有高離子導電性的SEI，也可以抑制有害的SEI增長。目前在鋰電池中應用最廣泛低溫功能性添加劑有：亞硫酸酯類、碳酸酯類和砜基化合物等，另外，將少量的鋰鹽或者溶劑作為添加劑也會取得明顯的效果。

亞硫酸酯類可以形成穩定的SEI膜，并且導鋰性能良好，因此，研究人員提出了將有機亞硫酸酯作為鋰離子電池電解液添加劑以此來提升低溫性能和高壓穩定性。其中，亞硫酸二甲酯（DMS）和亞硫酸二乙酯（DES）在低溫電解液中得到了研究。將LiTFSI溶解于DMS與DES中來進行低溫性能的研究。研究表明，DES可以有效抑制ROSO₂Li還原為Li₂SO₃。在-20℃下，對硅/石墨負極進行電化學性能測試，基于EC/DMS/DEN/10%FEC電解液的硅/石墨負極表現出優異的循環性能。

應用廣泛的碳酸酯類添加劑有碳酸亞乙烯酯（VC）和氟代碳酸乙烯酯（FEC)。VC為不飽和添加劑，其作用機理是能夠優先于EC電解液得到電子形成化合物覆蓋在碳負極表面，保護電極材料，提高電池容量。FEC同樣是優先于溶劑分子得到電子形成SEI膜。研究發現，使用FEC作為溶劑主要成分的高氟含量電解液，低溫性能要優于使用EC作為溶劑主要成分的電解液。將高濃度的鋰鹽LiFSI或LiBETI分別溶解在FEC與甲基三氟乙基碳酸酯或DEC的混合物中，然后將濃縮的電解液進一步稀釋到惰性氟化溶劑中，發現電解液能夠在-95至70℃的溫度范圍內使Li||NCA電池穩定循環，具有優異的低溫性能。

電動汽車空調制熱系統升級

電動汽車無法像傳統內燃機汽車利用發動機廢熱對乘員艙進行加熱，因此需要獨立的加熱設備構成空調系統完成制熱需求。目前，空調系統制熱主要通過兩種方式，分別是PTC加熱器制熱及熱泵空調制熱。

電動汽車空調系統（來源：張照普，《鋰離子動力電池低溫特性與整車熱管理系統協同控制研究》）

采用PTC加熱器的空調系統利用加熱器所產生的熱量加熱回路內冷卻液，而后通過鼓風機與暖風芯體將熱量傳遞至乘員艙中。其結構簡單，響應迅速、制熱效果較好且適用于極低溫工況制熱。但在制熱過程中，PTC加熱器能耗較大，而行駛工況下其能量完全來源于動力電池，這會對低溫下電動汽車的續駛里程產生較大影響。

熱泵空調能夠通過循環工質逆卡諾循環將低溫熱源轉移至高溫熱源，從而為乘員艙制熱，相比PTC加熱器有著較高的制熱效率。此外，試驗表明，冬季使用熱泵空調制熱與使用PTC制熱相比最大可降低50%能耗，最大帶來20%左右的冬季續航里程增加。以之前新浪汽車發起的冬季真實續航大PK比賽為例，挑選市場上比較具有代表性的四款電動車型參加：榮威Ei5、比亞迪秦PRO、北汽EU5、吉利帝豪GSE，它們電池容量十分接近，均在53度電左右，其中前三款車的官方續航里程也幾乎完全相同，模擬正常冬季用車環境，最終搭載熱泵技術的榮威Ei5以高出對手13%左右續航里程的成績拿下PK賽冠軍。

不過需要指出的是，熱泵由于結構上更為復雜，技術相對較為困難，所以成本相對較高，因此車企使用熱泵制熱的較少。此外，由于熱泵系統在制熱模式時，車外換熱器作為蒸發器使用，需要吸收外界環境的熱量，當車外溫度較低時，或者車外換熱器溫度與外界環境溫度接近時，車外換熱器則不能有效地從外界環境吸收熱量，導致系統無法繼續運行。另外，當車外溫度較低時，如果空氣中含有較多水分，則空氣中的水分會在車外換熱器表面結霜，結霜后的車外換熱器也不能再從外界環境有效地吸收熱量，導致熱泵空調無法繼續提供制熱功能。所以一般熱泵系統在-10℃以下便無法正常工作。因此車企們的主流技術方案仍然是熱泵與PTC加熱共同使用，在環境溫度過低熱泵無法工作時，啟動PTC作為備用熱源，但是隨著-20℃以下低溫熱泵技術的不斷突破，PTC加熱器漸漸地被熱泵空調所取代是必然趨勢！

03 小結

低溫對電動汽車續航里程的影響是一個無法回避的問題，主要原因是動力電池所具有的的理化性能對溫度的變化較敏感，因此電池抗低溫性能以及材料的研發、改進是今后解決的首要問題。

當前研究與應用的主流技術是鋰電池的加熱與保溫技術以及提高電動汽車的電能利用效率技術，隨著電動汽車的發展及產能的不斷擴大及相關企業、科研單位對這方面的重視與研發的不斷投入，相信制約電動汽車低溫運行的電池技術必將被突破。

參考資料：

1、李剛，《電動汽車低溫技術的應用與分析》

2、趙丁等，《鋰離子動力電池低溫加熱策略研究進展》

3、張照普，《鋰離子動力電池低溫特性與整車熱管理系統協同控制研究》

4、陶政等，《鋰離子電池低溫預熱方法研究綜述》

5、封邁等，《鋰離子電池低溫電解液的研究進展》

6、王弈艨等，《低溫鋰離子電池的研究進展》

7、李健等，《鋰離子電池低溫石墨負極及電解液優化研究進展》

8、高工鋰電網，《面向電動汽車全場景，如何破解動力電池低溫“桎梏”？》

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