對于電動車主而言，冬季伺候“電動爹”的尷尬局面有望得到改善。
近日寧德時代首席科學(xué)家吳凱在出席2023年中國汽車論壇時表示，目前寧德時代已開發(fā)出了全新的電解液材料。新的電解液在-20℃的極寒條件下可以將電池充電效率提高50%，在正常溫度下則可以提高43%。
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7月10日，吳凱對澎湃新聞記者進(jìn)一步解釋，無論是現(xiàn)有的三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池，還是寧德時代即將量產(chǎn)的新型M3P電池，這種能夠改善電池低溫性能的新型電解液都適用。“只是說，對于三種不一樣的電池正極化學(xué)體系，改善的電解液配方，并不一樣。”吳凱說。
基于正極材料的不同，目前鋰電池的兩種主流路線是鎳鈷錳三元鋰和磷酸鐵鋰電池，而M3P電池是寧德時代研發(fā)的基于磷酸鹽體系的三元鋰電池，最新消息是即將在今年第三季度首發(fā)于特斯拉中國產(chǎn)的MODEL 3(圖片|配置|詢價)改款。
在此前在宜賓舉辦的2023世界動力電池大會上，吳凱也說，“新能源汽車和動力電池技術(shù)發(fā)展到今天，里程焦慮不是用戶的第一核心問題，動力電池要解決全氣候可靠、全場景可靠以及補(bǔ)能的問題。”
眾所周知，冬季的天氣對電動汽車來說是一個不小的挑戰(zhàn)。
今年春節(jié)，一名微博網(wǎng)友就記錄了自己在駕車的心酸歷程：“由于氣溫過低續(xù)航直線下降，車機(jī)反復(fù)提示無法到達(dá)目的地。本打算在高速服務(wù)區(qū)充電，沒想到連續(xù)兩個服務(wù)區(qū)都沒有充電樁，下高速的充電距離也很遠(yuǎn)。”
另一名網(wǎng)友則記錄，“為了堅持開到第三個服務(wù)區(qū)，中途開始降速，速度逐漸從100—90—80—70—60，關(guān)空調(diào)，開雙閃，靠右行駛，在零下十幾度的氣溫中瑟瑟發(fā)抖，堅持了50分鐘終于到達(dá)了長城嶺服務(wù)區(qū)，到達(dá)時續(xù)航僅剩7公里……”
到了寒冷的冬天，電動汽車?yán)m(xù)航堪稱“打骨折”。以特斯拉Model 3為例，媒體測出的常溫續(xù)航達(dá)成率為82%，而到了-15至-10°C的冬季環(huán)境，續(xù)航達(dá)成率大幅降至46%，下降36個百分點。而在兩種電池正極路線中，磷酸鐵鋰電池低溫性能較三元電池表現(xiàn)更差，冬季續(xù)航打折問題尤為顯著。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，通常而言，在低溫環(huán)境下，鋰離子電池使用存在容量低、衰減嚴(yán)重、循環(huán)倍率性能差、析鋰現(xiàn)象明顯、脫嵌鋰不平衡等問題。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室的劉杲教授此前發(fā)表在Energy Environ. Sci.的論文Liquid electrolyte development for low-temperature lithium-ion batteries中指出，“鋰離子電池的可用容量通常會隨著溫度的降低而降低，特別是低于-20 °C，有時會低于其室溫值的25%。另一方面，電池在低溫下充電，也可能發(fā)生不可逆的容量損失。”
隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，鋰離子電池目前的低溫性能帶來的制約愈加明顯。
那么，在改善鋰離子電池的低溫性能上，電解液能起到什么作用呢？
據(jù)了解，液態(tài)鋰離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液四大部分組成，電解液主要負(fù)責(zé)在正負(fù)極之間傳導(dǎo)導(dǎo)電離子的作用，被稱為“電池的血液＂。
劉杲在其論文中指出，“盡管許多單獨的過程會導(dǎo)致低溫下鋰離子電池的容量損失，但它們中的大多數(shù)因素在一定程度上受到全電池內(nèi)部存在的非水系液態(tài)電解質(zhì)的控制。因此，電解液工程為研究和解決電池低溫失效提供了廣闊的前景。”
具體來看，在低溫條件下，電解液粘度增加，鋰離子電導(dǎo)率降低，從而導(dǎo)致外電路電子遷移速度不匹配，電池出現(xiàn)嚴(yán)重極化，充放電容量出現(xiàn)急劇降低。尤其當(dāng)?shù)蜏爻潆姇r，鋰離子很容易在負(fù)極表面形成鋰枝晶，導(dǎo)致電池失效。
石墨‖LiNi0.80Co0.15Al0.05O2全電池中鋰傳輸路徑的完整概述示意圖，圖片來源：Energy Environ. Sci
據(jù)了解，現(xiàn)目前鋰離子電池的電解液主要成分是溶劑、溶質(zhì)（鋰鹽）和添加劑等，按比例在一定條件下調(diào)制而成，三種原料質(zhì)量占比分別為80%－85%、10%－12%、3%－5%。
用于改善低溫性能的電解液策略示意圖，圖片來源：Energy Environ. Sci
其中，溶劑主要作為鋰離子的運輸載體，常用的為碳酸酯類溶劑，包括碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、 碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）等。
溶質(zhì)（鋰鹽）作為鋰離子的提供者，一般選用四氟硼酸鋰（LiBF4）、六氟磷酸鋰（LiPF6）、新型鋰鹽雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）等。鋰鹽在電解液中不僅能夠提高溶液的離子電導(dǎo)率，還能降低 Li+ 在溶液中的擴(kuò)散距離。一般而言，溶液中的Li+濃度越大，其離子電導(dǎo)率也越大。
添加劑是特定功能的物質(zhì)，電解液一般含多種添加劑，按作用分為成膜添加劑、高／低溫添加劑、過充保護(hù)添加劑、阻燃添加劑、倍率型添加劑等。常見的為碳酸亞乙烯酯（VC）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）等。
據(jù)介紹，目前業(yè)內(nèi)改善電解液低溫性能的策略通常是調(diào)整溶劑、溶質(zhì)（鋰鹽）和添加劑的含量和比例。
例如劉杲在其論文中其指出，在低溫條件下電解液粘度的增加會導(dǎo)致電解液鋰離子電導(dǎo)率降低，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部電阻上升。粘度增加與EC溶劑含量密切相關(guān)，因此低溫條件下應(yīng)盡量避免使用EC溶劑。
由于EC溶劑的高熔點，容易發(fā)生凝固現(xiàn)象。通過添加鋰鹽（1 M LiPF6）可進(jìn)一步降低凝固點，使實際電解液的液相線進(jìn)一步降低至-20℃至-30℃。而與線性碳酸酯相比，PC在作為助溶劑添加時更有效地抑制EC結(jié)晶。
據(jù)了解，目前在低溫電解液方面下功夫的國內(nèi)電池企業(yè)，除了寧德時代，還有國軒高科、輝鵬能源等。國軒高科工程研究總院院長蔡毅在2021年就透露，“國軒新電解液配方能夠提升鐵鋰電池低溫性能超過20%。”而輝鵬能源表示，該公司通過雙鋰鹽、多溶劑復(fù)配，實現(xiàn)高電導(dǎo)、寬溫程電解液的開發(fā)。
而為了全面改善鋰離子電池的低溫效能，目前業(yè)內(nèi)在電池材料探索上也不僅僅是電解液，還包括增強(qiáng)鋰離子電池正極材料表面的導(dǎo)電性、增加電池隔膜的孔隙率等方式。例如寧德時代就還擁有電池內(nèi)部快速自加熱技術(shù)，利用脈沖電流所釋放的熱能對電池加熱，以2℃/min的加熱速率，整個加熱過程中電芯溫差不超過4℃。使用電池6%左右的能量，15分鐘從-20℃提升到10℃。
